Manuscrit_E_Viennet_2011-12111... - Tel

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Insectes et maladies émergentes : contacts
hôte/Culicoides en région paléarctique et leurs
implications dans la transmission de la fièvre catarrhale
ovine
Elvina Viennet
To cite this version:
Elvina Viennet. Insectes et maladies émergentes : contacts hôte/Culicoides en région
paléarctique et leurs implications dans la transmission de la fièvre catarrhale ovine. Médecine
vétérinaire et santé animal. Université Montpellier II - Sciences et Techniques du Languedoc,
2011. Français. <tel-00672774>
HAL Id: tel-00672774
https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00672774
Submitted on 22 Feb 2012
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UNIVERSITÉ DE MONTPELLIER II SCIENCES ET TECHNIQUES
DU LANGUEDOC
Année 2011 – N°
THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ MONTPELLIER II
Discipline : Microbiologie/Parasitologie
École Doctorale : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences,
Hydrosciences et Environnements
soutenue publiquement le 28 Octobre 2011
par
Elvina VIENNET
Insectes et maladies émergentes :
Contacts hôte/Culicoides en région paléarctique et
leurs implications dans la transmission de la fièvre
catarrhale ovine
JURY
M. Mattew BAYLIS
Professeur, Université de Liverpool, Royaume-Uni Rapporteur
M. Willem TAKKEN
Professeur, Université de Wageningen, Pays-Bas
Rapporteur
M. Jean-Claude DELÉCOLLE
Chercheur, Université de Strasbourg
Examinateur
M. Frédéric SIMARD
Directeur de Recherche, IRD, Montpellier
Président de jury
Mme. Catherine MOULIA
Directeur de Recherche, UM2, Montpellier
Directeur de thèse
M. Thierry BALDET
Chercheur, Cirad, Montpellier
Directeur de thèse
UNIVERSITÉ DE MONTPELLIER II SCIENCES ET TECHNIQUES
DU LANGUEDOC
Année 2011 – N°
THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ MONTPELLIER II
Discipline : Microbiologie/Parasitologie
École Doctorale : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences,
Hydrosciences et Environnements
soutenue publiquement le 28 Octobre 2011
par
Elvina VIENNET
Insectes et maladies émergentes :
Contacts hôte/Culicoides en région paléarctique et
leurs implications dans la transmission de la fièvre
catarrhale ovine
JURY
M. Mattew BAYLIS
Professeur, Université de Liverpool, Royaume-Uni
Rapporteur
M. Willem TAKKEN
Professeur, Université de Wageningen, Pays-Bas
Rapporteur
M. Jean-Claude DELÉCOLLE
Chercheur, Université de Strasbourg
Examinateur
M. Frédéric SIMARD
Directeur de Recherche, IRD, Montpellier
Président de jury
Mme. Catherine MOULIA
Directeur de Recherche, UM2, Montpellier
Directeur de thèse
M. Thierry BALDET
Chercheur, Cirad, Montpellier
Directeur de thèse
iii
Insectes et maladies émergentes : contacts hôte/Culicoides en région paléarctique
et leurs implications dans la transmission de la fièvre catarrhale ovine
La découverte du rôle des insectes en tant que vecteurs de pathogènes, établi depuis
plus d’un siècle, a été l’élément moteur de la discipline « entomologie médicale et
vétérinaire ». Malgré le succès de nombreuses campagnes de prévention et de programmes de
lutte, nous assistons depuis une trentaine d’années à l’émergence et à la recrudescence de
maladies à transmission vectorielle. Le virus de la fièvre catarrhale ovine (FCO) (Reoviridae :
Orbivirus) est un très bon exemple de virus émergent en Europe dont les mécanismes de
transmission sont encore peu connus dans cette région. Ce virus est transmis par des
moucherons hématophages du genre Culicoides (Diptera : Ceratopogonidae) aux ruminants
sauvages et domestiques. En Europe, la FCO a été pendant longtemps considérée comme une
maladie exotique. À partir de 1998, plusieurs incursions apparaissent dans l’ouest du bassin
méditerranéen en lien avec la remontée vers le nord de populations de Culicoides imicola, le
principal vecteur afrotropical. À partir d’août 2006, l’apparition et la transmission du sérotype
8 dans le nord de l’Europe, dans des zones où C. imicola est absent, révèle l’importance des
espèces autochtones et la nécessité de comprendre leur rôle vecteur. Ce travail s’intéresse aux
mécanismes de transmission du virus de la FCO en Europe non méditerranéenne, en i)
présentant un état de l’art de la biologie et l’écologie des Culicoides adultes, ii) en évaluant
les conditions possibles d’utilisation de pièges pour estimer le taux de piqûre et iii) en
décrivant les comportements trophiques pour les espèces d’intérêt vétérinaire.
Mots clés : Culicoides, fièvre catarrhale ovine, contact hôte/vecteur, comportement trophique,
Europe
Insects and emerging diseases: host/Culicoides contact in the Palaearctic region
and their implications in bluetongue transmission
The discovery of insects as pathogens vectors was established for over a century and
was the driving force behind the discipline “medical and veterinary entomology”. Despite the
success of some prevention and control program campaigns, the emergence and spread of
vector-borne diseases occurred dramatically during this last thirty years. Bluetongue virus
(BTV) (Reoviridae: Orbivirus) is a good example of emerging virus in Europe, with a little
understanding of the epidemiology of this disease. This virus is transmitted by blood-sucking
midges of the genus Culicoides (Diptera: Ceratopogonidae) to wild and domestic ruminants.
In Europe, BT was considered an exotic disease. In 1998, several incursions appeared in the
western Mediterranean Basin in line with the northward progression of C. imicola
populations, the main afrotropical vector. From August 2006, the emergence and transmission
of serotype 8 in northern Europe, in areas where C. imicola is absent, revealed the importance
of autochthonous species and the urgent need to understand their role as vector. This work
gives new insights into the understanding of BTV transmission in northern Europe: i)
presenting a state of the art review of the biology and ecology of Culicoides adults, ii)
assessing different methods to study the biting rate and iii) highlighting trends in host-seeking
behavior.
Key words: Culicoides, bluetongue, host/vector contact, host-seeking behavior, Europe
Discipline: Microbiologie/Parasitologie
Intitulé et adresse du laboratoire de recherche
Cirad, UMR Contrôle des Maladies Animales Exotiques et Emergentes
Campus International de Baillarguet, 34398 Montpellier Cedex 5, France
Remerciements
C’est l’histoire d’une aventure humaine en territoire de moucherons…
Ce travail de thèse est le fruit de 3 années d’études et de recherches au sein de l’unité
Contrôle des maladies animales exotiques et émergentes (CMAEE) du Cirad à Montpellier.
Je remercie Dominique Martinez, directeur de l’UMR CMAEE, pour son accueil au sein de
son unité.
Ce travail a été dirigé par Catherine Moulia (Université de Montpellier II) et Thierry
Baldet (Cirad). Je tiens à remercier Catherine d’avoir accepté de diriger cette thèse, et de
m’avoir prodigué toujours de très bons conseils et des remarques pertinentes. Je remercie
Thierry qui, malgré son éloignement géographique, a toujours été réceptif, disponible et de
bons conseils. Merci énormément pour ton soutien, ton aide précieuse et l’énergie que tu
communiques.
Ce travail n’aurait pas vu le jour et n’aurait pu aboutir sans l’excellent encadrement de
Thomas Balenghien et Claire Garros de l’équipe « Vecteurs » de l’unité CMAEE du Cirad.
À Thomas, à qui je ne saurais, à vrai dire, exprimer suffisamment ma reconnaissance
tellement elle est grande, profonde et risquerait d’être limitée par ces maigres mots. Il va de
soi que de travailler et d’évoluer sous ton aile n’a été que bénéfique. Tu as su faire preuve
d’une extrême patience (et il en a fallu), d’une très bonne pédagogie, de beaucoup de
compréhension et de bienveillance qui, à mon avis, sont rares et vraiment très chères à mes
yeux. Merci in-fi-ni-ment.
À Claire, personnalité au combien attachante et surprenante par son savoir. Tu as su
me tirer un peu plus vers le haut, toujours à mon écoute, de conseils avisés et ce, dans la
simplicité, gentillesse et jovialité. Merci infiniment pour ton soutien important. Un seul regret,
ne pas avoir su aborder les bons moments avec suffisamment de détente…en espérant qu’il y
en ait d’autres à l’avenir, bien sûr.
Je souhaite remercier Frédéric Simard d’avoir accepté de juger ce travail, et également
les Professeurs Mattew Baylis (Université de Liverpool) et Willem Takken (Université de
Wageningen) de me faire l’honneur d’être rapporteurs de cette thèse. I am honored that you
have accepted to judge this work, deep thanks Pr. Matthew Baylis. Ik ben ontzettend dankbaar
voor de inspirentie, ik heb veel van jullie geleerd. Danku veel Pr. Willem Takken.
À Jean-Claude Delécolle (Université Louis Pasteur de Strasbourg) qui a donné de son
temps pour me former à l’identification des Culicoides, partager ses connaissances, ses
anecdotes et ses bons tuyaux… merci, de m’avoir suivie pendant ces trois années
mémorables. Ce ne fut que du bonheur et tellement appréciable d’apprendre d’un passionné
que dis-je, d’un Maître. Merci également d’avoir accepté d’être membre de mon jury de thèse.
i
Remerciements
Les expériences sur le terrain se sont déroulées à l’INRA de Nouzilly. Nous avons été
accueillis par l’équipe UE 1277 Plateforme d’infectiologie Expérimentale (PFIE). Je tiens à
adresser mes très sincères remerciements au directeur de l’unité PFIE Bertrand Schwartz et à
son directeur adjoint Pierre Sarradin. Merci infiniment à Didier Crochet pour ses conseils, son
aide sur le terrain, sa disponibilité et ses réponses à mes innombrables questions. Mes
profonds remerciements vont aux animaliers de l’unité PFIE Sylvain Breton, Olivier
Boulesteix, Thierry Chaumeil, Robert Gelineau, Edouard Guitton, Sébastien Lavilatte, Dany
Leguere, Michel Maillon, Joel Moreau, Jeremy Pezant, Pascal Quinchamp, Maud Renouard et
Mickaël Riou ; aux animaliers du service Equins Fabrice Reigner et Guy Duchamp à Laurent
Foubert de l’atelier et à Michel (dit Mimi et sa belle faucheuse). Ce travail sur le terrain
n’aurait pu se faire sans bricolages et tests au Cirad. Merci donc à l’équipe de la Ditam qui
m’a gentiment accueillie, conseillée et aidée.
Je suis très reconnaissante aux membres de mon comité de thèse, Gérard Duvallet,
Serge Morand et Vincent Robert qui ont su enrichir ce travail, apporter un regard critique, et
partager leurs expériences tout au long de ces trois années.
C’est également une merveilleuse histoire de travail d’équipe. Je tiens à remercier
infiniment Laëtitita Gardès pour son aide précieuse au laboratoire et sur le terrain. Mes
sincères remerciements vont aux légendes arthuriennes, Xavier Allène, Ignace Rakotoarivony,
Jonathan Lhoir et Roger Venail pour leur capacité à dompter avec brio et efficacité pince,
loupe, cupules, aspirateur, perceuse, piste (de danse) et j’en passe… Merci d’avoir fait de
cette aventure une légende. Merci à Ivanna Fuentes, très agréable, efficace au labo et
tellement marrante, à Hélène Guis qui a toujours été de très bons conseils et d’une aide
précieuse.
La larme à l’œil, je suis bien consciente de la chance que j’ai eu de pouvoir travailler à
vos côtés, au sein de cette équipe si agréable, dynamique et bienveillante.
Merci à l’ensemble des personnes de l’UMR 15, aux collègues du bâtiment G de
m’avoir intégrée en tant qu’entomo perdue dans un monde de virologistes, d’immunologistes
et pour les bons moments partagés, même s’ils furent que très rares ces derniers mois. Merci à
Nadège Cassese et Denise Bastron pour leurs disponibilités et efficacités. Merci à Renaud
Lancelot pour les conseils et l’aide apportés au cours de ces trois années. Merci à ma collègue
de bureau Samia Gendhouz d’avoir été aussi agréable et bienveillante surtout lors de ces
derniers mois de rédaction. Merci à Saliha Hammoumi d’avoir été présente dans les bons
comme dans les mauvais moments.
À Joëlle Lopez (secrétaire de l’école doctorale SIBAGHE) qui a toujours été souriante,
accueillante et encourageante.
À mes parents et à mon frère évidemment, qui ont toujours été là pour m’épauler,
m’encourager et m’aider à surmonter les nombreuses embûches. Un grand merci. Ça y est,
vous pouvez souffler…
ii
Remerciements
À pèpè, mèmè, leur sagesse, leur présence d’esprit et leur joie de vivre m’ont toujours
émerveillée et sont sources inestimables d’énergie et de modestie. Me voici votre plus fidèle
fan et je ne saurais comment vous remercier pour tous vos nombreux encouragements.
À ma petite mamie, son affection et sa bienveillance m’ont toujours réconfortée. Merci
tellement pour tout ce que tu m’as apporté. Je pense très fort à toi, là où tu viens tout juste de
partir.
Au reste de la famille qui m’a souvent encouragé.
À mes amis d’ici et à mes amis d’un là-bas cosmopolite, dont entre autres, Annabelle,
Alexandra, Carole, Charlyne, Chris, Cindy, Fedor, Joost, Julia, Tom-tom, Marloes, Paula,
Paulito, Pavel, Ulisses, Virginie. Merci pour votre soutien et tous les bons moments passés
ensemble durant ces 3 années, même à distance et même s’ils furent trop rares, c’est bon de
savoir que vous êtes là. À tous ceux que j’ai oublié, qu’ils m’en excusent…
À Carine. Et dire que nous avons échappé aux tensions de la vie en communauté.
Trois ans dans le même bureau et deux années dans le même appartement et aucune (ou quasi
aucune) crise…c’est beau…merci à toi, pour ton soutien et pour ton écoute salutaire. Bon
séjour aux Etats-Unis et promis…un jour je te parlerai en brésilien.
À ces Culicoides qui m’ont nargué un soir d’été à quelques 16 000 km d’ici. Je les
remercie d’avoir hanté et animé nombre de mes nuits et de m’avoir permis de rentrer dans la
peau de ghostbuster…
Enfin à celui qui m’a rejointe en cours de route, toujours de bons conseils,
réconfortants et d’une aide inestimable en période de rush. Pourvu que la route soit encore
longue et belle. Merci à toi Samuel.
iii
iv
« Parmi ces êtres éphémères, se doivent voir des jeunesses d’un matin et des
décrépitudes d’un jour. S’ils ont des histoires, ils ont des mois, des années, des
siècles, des époques proportionnées à la durée d’une fleur. Ils ont une autre
chronologie que la nôtre, comme ils ont une autre hydraulique et une autre
optique. Ainsi, à mesure que l’homme s’approche des élémens de la nature, les
principes de sa science s’évanouissent. Tels devoient donc être ma plante et ses
habitans naturels aux yeux de mes moucherons ; mais quand j'aurois pu
acquérir, comme eux, une connoissance intime de ce nouveau monde, je n’en
aurois pas encore eu l’histoire. »
Etudes de la nature [Document électronique]. Tome I / par Jacques-Henri
Bernardin de Saint-Pierre (1737-1814).
A papi,
v
vi
Table des matières
Remerciements
Table des matières
Table des illustrations : figures
Table des illustrations : tableaux
i
vii
x
Préambule
1
Introduction générale
5
xii
Chapitre 1 : Revue des connaissances sur la biologie
et l’écologie des Culicoides adultes et sur les méthodes
de captures pour estimer le contact hôte/vecteur
Introduction en français
17
Review of the biology and ecology of adult Culicoides
biting midges and of trapping methods to assess host/vector contact
19
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
20
22
23
24
25
29
29
Introduction
Breeding sites and emergence
Swarming and mating
Flight range, dispersal and vertical activities
Host seeking behaviors
Circadian rhythm
Conclusions
Discussion en français
38
Chapitre 2 : Estimation du contact hôte/vecteur :
Comparaison des pièges à appât et du piège à lumière ultraviolette
pour la capture de Culicoides (Diptera : Ceratopogonidae),
vecteurs d’Orbivirus
39
41
Assessment of vector/host contact: comparison of animal-baited
traps and UV-light/suction trap for collecting Culicoides
biting midges (Diptera: Ceratopogonidae), vectors of Orbiviruses
43
1.
2.
3.
4.
5.
43
44
46
50
51
Background
Materials and methods
Results
Discussion
References
55
vii
Tables des matières
Chapitre 3 : Préférences trophiques des espèces paléarctiques
de Culicoides, potentiellement impliquées dans la transmission
du virus de la fièvre catarrhale ovine en Europe
57
59
A. Host preferences of Palaearctic Culicoides biting midges
(Diptera: Ceratopogonidae): implications for Orbivirus transmission
63
1.
2.
3.
4.
5.
65
66
69
77
81
Introduction
Results
Discussion
References
B. Adaptation of a species-specific multiplex PCR assay for the
identification of blood meal source in Culicoides
(Ceratopogonidae: Diptera): applications on Palaeartic biting midge
species, vectors of Orbiviruses
1.
2.
3.
4.
5.
85
85
86
87
87
88
Introduction
Results
Discussion
References
93
Chapitre 4 : Comportement trophique des vecteurs du virus de la FCO:
endo/exophagie et rythme circadien des Culicoides paléarctiques
du Nord-ouest de l’Europe
97
99
Host-seeking activity of bluetongue virus vectors: endo/exophagy
and circadian rhythm of Culicoides in western Europe
101
1.
2.
3.
4.
5.
103
104
107
114
118
Introduction
Results
Discussion
References
123
viii
Table des matières
Discussion générale
125
Conclusions générales et perspectives
137
Références bibliographiques
141
ix
Tables des illustrations : figures
Chapitre 1 :
Figure 1. The worldwide distribution of Bluetongue virus (BTV) serotypes
and the primary Culicoides vectors in different geographical regions denoting
six predominant BTV episystems
Figure 2. Trophogonic cycle of the Culicoides vectors
21
22
Chapitre 2 :
Figure 1. Four collection methods compared during 12 days
using a 4 x 4 Latin square design: (A) drop trap, (B) direct aspiration,
(C) sticky cover trap and (D) UV-light/suction trap (OVI)
44
Figure 2. Sketch map of the study site (INRA) at Nouzilly (western France)
45
Figure 3. Graphical exploration of C. brunnicans female collections
49
Figure 4. Number of females (for the 8 most abundant species) collected
by direct aspiration and with the sticky cover trap on each animal body part
51
Figure 5. Number of females (for the 5 most abundant species) collected
by direct aspiration and with the drop trap each time period
52
Chapitre 3 A :
Figure 1. Sketch map of the study site at Nouzilly (western France)
with the five hosts wearing sticky covers for comparison during
15 days following a 5 x 5 Latin square design.
67
Figure 2. Climatic conditions in the study site. (A) Ombrothermic
diagram for comparison between 2009 and the 1971-2000 period
(Météo France data) and (B) wind rose recorded during collection sessions.
70
Figure 3. Number of Culicoides scoticus, C. dewulfi and C. obsoletus
females collected by host and by collection session.
73
Figure 4. Number of Culicoides females collected on each
mare body part by collection session.
75
Figure 5. Probability of feeding twice on the same host species
or successively on two different host species in various contexts
of host abundances.
76
Figure 6. Correlation between the numbers of Culicoides females
collected on mare and in the UV-light/suction trap.
77
Chapitre 3 B :
Figure 1. Localization of study sites and diversity of biting.
midge species collected at these study sites.
Figure 2. Species-specific PCR amplifications.
Figure 3. Species-specific PCR amplifications simulating
multiple feedings.
x
87
89
89
Tables des illustrations : figures
Chapitre 4 :
Figure 1. Sketch map of the study site at Nouzilly (western France).
105
Figure 2. Climatic conditions in the study site.
107
Figure 3. Abundance of Culicoides obsoletus according
to the trap and the location in spring (A), summer (B)
and autumn (C). LOS: largely open stable.
111
Figure 4. Circadian host-seeking activity of C. brunnicans and C. obsoletus.
112
Figure 5. Number of Culicoides collected outdoor in host-baited
traps compared to meteorological parameters recorded by
MeteoFrance weather stations located at Parcay-Meslay or at Saunay.
113
Figure 6. Correlation between the numbers
of C. brunnicans and C. obsoletus collected outdoor
in host-baited traps and in UV-light/suction trap.
114
xi
Table des illustrations : tableaux
Chapitre 2 :
Table 1. Numbers of Culicoides collected over 12 nights
using four trapping methods.
48
Table 2. Observed and predicted biting rates per collection session.
50
Table 3. Observed and predicted parity rate per collection session.
50
Chapitre 3 A :
Table 1. Numbers of Culicoides collected over the 15 sessions on 5
different hosts using a sticky cover trap and the UV-light/suction trap.
72
Table 2. Observed and predicted numbers of Culicoides per host
and per collection session.
74
Chapitre 3 B :
Table 1. Characteristics of the six farms where Culicoides were collecting
from week 12 to 22 in 2009.
86
Table 2. Primer set used for identification of blood meal origin in
Culicoides abdomen.
86
Table 3. Blood meal identifications of engorged Culicoides.
88
Chapitre 4 :
Table 1. Numbers of Culicoides collected over 18 sessions in spring,
summer and autumn by host-baited traps and UV-light/suction trap.
109
Table 2. Mean No. observed (max) and predicted Culicoides
or all species and the most abundant species depending on the trap,
the location and the season.
110
xii
Préambule
Ce manuscrit de thèse est structuré sous forme d’un enchainement d’articles publiés en
tant qu’auteur (Chapitre 2) et co-auteur (Chapitre 3), d’articles aboutis en cours de révision
(Chapitres 4 et 5), et enfin d’un article qui nécessite d’être approfondi avant soumission
(Chapitre 1). Afin de faciliter la lecture de ce manuscrit et de comprendre le cheminement
logique de ce travail de recherche, une introduction, au début de chaque chapitre, permet de
placer le contexte, de rappeler les objectifs et la stratégie employée. A la fin de chaque
chapitre, une rapide discussion critique permet de rappeler les résultats, leurs intérêts et
limites. Une discussion générale reprend les principaux résultats, les confronte aux
connaissances actuelles sur la biologie et l’écologie des Culicoides et discute de l’implication
de ce travail dans l’amélioration de la compréhension des mécanismes de transmission du
virus de la FCO.
1
2
3
4
Les insectes constituent une des formes de vie animale dominantes sur terre. Un million
d’espèces sont actuellement décrites dans le monde (soit à peu près les deux tiers des espèces
animales connues). Chez ce groupe, les phénomènes biologiques paraissent complexes et de
nombreuses stratégies d’interaction avec leur biosphère existent allant du commensalisme au
réel parasitisme (Waage, 1979). La grande majorité des insectes sont essentiels aux fonctions
des écosystèmes. En effet, ils sont bénéfiques dans les cultures (décomposeurs, pollinisateurs,
prédateurs d’espèces nuisibles) ou sources de nourriture pour les animaux et également pour
de nombreuses populations humaines : consommation de chenilles et de termites en Afrique,
de larves, de vers et d’escamoles en Amérique Latine, de larves et de nymphes de fourmis
tisserandes, de libellules ou de sauterelles en Asie, ou encore de fourmis, de chenilles et de
vers en Océanie, etc., certains pouvant être considérés essentiellement comme des friandises
(Dufour, 1987 ; DeFoliart, 1989). Depuis plusieurs années, développer la consommation
d’insectes comme substitut de poisson ou de viande fait partie d’un programme très
sérieusement encouragé par les experts de l’Organisation des Nations Unies pour
l’alimentation et l’agriculture (FAO). En effet, dans le contexte de malnutrition grandissante,
les qualités nutritionnelles des insectes (riche en fer, vitamines, acides aminés) ainsi que leur
facilité d’élevage, permettraient d’assurer la sécurité alimentaire mondiale, des emplois et une
source de revenu non négligeable dans les décennies à venir. Il a été estimé par exemple que,
chaque année, 9,5 milliards de larves de mopane sont récoltées dans les forêts de Mopane
d’Afrique du Sud pour une valeur de 85 millions de $US, dont environ 40 % vont aux
producteurs : principalement des femmes rurales pauvres. Les insectes sont également utilisés
dans certaines médecines traditionnelles et dans la composition de médicaments (la
cantharidine1 (Barataud, 2004) ou la Maggot therapy2 (Sherman and Pechter, 1988)), mais
aussi en expertise médico-légale ou comme agents potentiels de lutte biologique (insectes
parasitoïdes (Greany et al., 1984)).
Contrairement aux idées reçues, moins de 0,5 % des espèces d’insectes sont des
nuisibles (prédateurs, ravageurs, parasites ou hématophages). Ils peuvent être ravageurs pour
les cultures. La mouche de Hesse (Mayetiola destructor) (Diptera : Cecidomyiidae) cause de
sérieux dégâts au blé, orge, et seigle en Europe et en Amérique du Nord pouvant provoquer
une perte annuelle de 20 millions de dollars sur la production de blé (Oman, 1968). Le criquet
pèlerin, véritable fléau mondial, possède une aire d’invasion de plus de 29 millions de km², ce
qui représente plus de 20 % des terres émergées. Ces criquets Schistocerca gregaria Foskål
n’épargnent aucune culture et le coût des moyens engagés dans leur lutte est estimé à plus de
300 millions de dollar US. Les insectes peuvent aussi être pathogènes pour les vertébrés, en
étant allergisants, urticants, vésicants, venimeux, ou hôtes d’agents pathogènes (transporteurs,
hôtes intermédiaires , vecteurs) (Rhodain and Perez, 1985). Parmi ces insectes nuisibles pour
les vertébrés, les insectes hématophages occupent une place toute particulière à cause des
nuisances considérables qu’ils peuvent occasionner, mais surtout à cause des conséquences
sanitaires des pathogènes qu’ils peuvent transmettre (Rhodain and Perez, 1985).
1
Cantharidine : substance toxique extraite des coléoptères Cantharidés, remèdes contre les maux de poitrine
Maggot therapy : asticotherapie ou larvotherapie, c'est-à-dire l’application de larves sur des plaies purulentes. Ces larves
nettoient et aident à se cicatriser
2
5
L’hématophagie concernerait 14 000 espèces d’insectes appartenant à cinq ordres
(Adams, 1999). Il s’agit d’une stratégie d’exploitation des ressources alimentaires tout à fait
particulière, qui proviendrait d’une évolution des associations insecte/hôte vertébré (Balashov,
1984 ; Balashov, 1999). L’hématophagie pourrait ainsi être apparue suivant deux routes
macro-évolutives distinctes (Waage, 1979). La première concernerait des insectes déjà en
étroite association avec des vertébrés, comme, par exemple, ceux fréquentant les nids ou
terriers – ces derniers assurant une protection intéressante par une atténuation des variations
d’humidité et de température (Lehane, 2005) – ou les ectoparasites effectuant leur
développement sur leur hôte (Waage, 1979; Balashov, 1999). Ces insectes, qui pouvaient se
nourrir originellement de peau morte sur l’hôte, de sécrétions dermiques, etc., seraient
devenus, dans un premier temps, occasionnellement hématophages puis hématophages
facultatifs voire hématophages obligatoires (Waage, 1979). Cette évolution aurait été
positivement sélectionnée, dans la mesure où le sang est plus digeste et plus nutritionnel que
la peau et que ce comportement peut minimiser le temps et l’énergie dépensés dans la
recherche de nourriture. L’autre voie évolutive concernerait des groupes d’insectes dont les
pièces buccales étaient adaptées à la piqûre (par exemple des végétaux), et chez qui serait
apparu la capacité d’attaquer et de se gorger sur des vertébrés, notamment par le
développement de leur capacité à trouver des hôtes (Waage, 1979; Balashov, 1999). La
plupart des diptères hématophages appartiennent à cette catégorie. Quelque soit la voie
évolutive, des adaptations morphologiques, physiologiques et comportementales communes
sont apparues chez ces insectes pour réaliser leur hématophagie, à savoir : i) des adaptations
aboutissant à des associations physiques régulières avec les hôtes incluant le comportement
trophique, la préférence pour un habitat donné et les adaptations à la vie sur l’hôte et ii) des
adaptations aboutissant à la capacité de se nourrir sur l’hôte, incluant la structure des pièces
buccales, la capacité physiologique de digérer le sang et le comportement associé à l’initiation
et la fin du repas.
L’hématophagie a des conséquences directes, qui peuvent être néfastes, sur les hôtes.
Les piqûres des insectes hématophages peuvent être douloureuses et provoquer des réactions
allergiques locales intenses. Par exemple, en Ecosse, les piqûres de Culicoides impunctatus
Goetghebuer peuvent être tellement nombreuses et gênantes que toute activité à l’extérieur est
difficile voire impossible sans protection, provoquant jusqu’à 20 % de perte pendant les
horaires de travail dans les industries forestières en été (Hendry and Godwin, 1988 ). Lehane
(Lehane, 2005) suggère que les populations des pays développés deviennent de plus en plus
« intolérantes » aux insectes nuisibles. Plusieurs raisons implicites sont proposées : la
sensibilisation grandissante à l’importance des insectes dans la transmission de maladie, la
focalisation peut-être excessive autour de l’hygiène et de la propreté et l’urbanisation
croissante qui fait des insectes une compagnie beaucoup plus rare que pour nos grands-parents
vivant en zone rurale. La lutte contre cette nuisance, qui entraîne des coûts directs importants,
peut s’avérer nécessaire pour le développement d’activités économiques, comme le tourisme,
avec l’exemple de la démoustication continuelle du littoral méditerranéen français depuis les
années 1960 ou encore celui de l’engagement contraint de certains pays du Sud dans des
actions de contrôle pour satisfaire le développement des activités touristiques occidentales
6
(Lehane, 2005). De plus, le rôle nuisant associé aux spoliations sanguines peut entraîner des
pertes sérieuses en agriculture.
Mais surtout, les insectes hématophages revêtent une importance de premier plan à
cause des conséquences sanitaires, mais aussi économiques, des pathogènes qu’ils peuvent
transmettre aux hommes et aux animaux. Les insectes ont été longtemps suspectés de jouer un
rôle dans la transmission des maladies. Ainsi, les peuples d’Afrique de l’Est et de l’Ouest
savent depuis longtemps que les mouches tsétsé sont impliquées dans la transmission de la
maladie du sommeil chez les hommes et du Nagana chez les animaux (Lehane, 2005). En
revanche, ce n’est qu’au 19ème siècle, qu’on obtient la démonstration du rôle vecteur3 des
insectes. En effet, en 1877, Sir Patrick Manson, en observant le développement des larves de
la filaire Wuchereria bancrofti Cobbold chez Culex pipiens fatigans Wiedemann (ancien nom
de Culex quinquefasciatus Say), ouvre la voie à une succession d’investigations, qui donne
naissance à l’entomologie médicale et vétérinaire en tant que discipline autonome (Chernin,
1983; Rhodain and Perez, 1985). Ross en 1897 a été le premier à observer que les parasites du
paludisme se développent au sein de moustiques. Deux années plus tard, en Italie, Grassi a
fait le rapprochement entre la distribution géographique du moustique du genre Anopheles
avec celle du paludisme (Nutall et al., 1901). Les systèmes vectoriels sont particulièrement
intéressants pour étudier les interactions du vivant, dans la mesure où le pathogène peut être
considérer comme un parasite (au sens large) du vecteur et de l’hôte, et que donc il existe, en
parallèle de la coévolution hôte/insecte décrite précédemment, des coévolutions
vertébrés/pathogène et vecteur/pathogène. Cette coévolution pathogène/vecteur a été mise en
évidence, par exemple, dans le modèle Culicoides/hémosporidies en étudiant les relations
entre haplotypes de parasites du genre Haemoproteus et de plusieurs espèces de vecteurs :
Culicoides festivipennis Kieffer et Culicoides kibunensis Tokunaga (Martinez-de la Puente et
al., 2009). De même, certains parasites sont capables d’affecter le comportement trophique
des vecteurs à leur profit afin d’accroitre leur transmission (Moore, 1984 ; Moore, 1993 ;
Grech et al., 2006 ; Schaub, 2006 ; Otranto et al., 2008). Par la suite, nous retiendrons comme
définition de vecteur un arthropode hématophage qui assure la transmission biologique (ou
mécanique) active d’un agent infectieux d’un vertébré à un autre (Rhodain and Perez, 1985).
En cas de transmission biologique, une partie du cycle de développement de l’agent infectieux
a lieu à l’intérieur du vecteur, alors que lors d’une transmission mécanique, le vecteur
« transporte simplement » l’agent pathogène. Ces transmissions sont dites actives lorsque
l’arthropode établit activement par son écologie le contact avec l’hôte vertébré.
L’agent pathogène, son vecteur et son hôte ont la capacité d’évoluer dans leurs
environnements et de s’adapter aux contraintes pour survivre. De nombreuses causes peuvent
modifier les interactions entre les acteurs de ce triptyque : changements climatiques et
environnementaux, modifications économiques, démographiques et sociétales, décisions
politiques notamment en santé publique, modification importante de la prévention à la
réponse d’urgence, résistances aux traitements et insecticides, modifications génétiques des
agents pathogènes. La modification des interactions peut provoquer la recrudescence ou
l’émergence de maladies vectorielles. L’émergence d’une maladie infectieuse peut être décrite
3
Dans ce travail, nous employons ‘vecteur’ au sens entomologique du terme, défini par la suite. Un insecte
vecteur peut-être également considéré en tant qu’ « hôte vecteur », terme que nous simplifierons par « vecteur »
7
comme un procédé en deux étapes : i) l’introduction de l’agent pathogène dans une nouvelle
population d’hôte ou nouvelle zone géographique suivie par ii) l’établissement de l’agent
pathogène et sa propagation dans cette nouvelle population d’hôtes ou cette nouvelle zone
géographique (Morse, 1995). L’introduction peut avoir lieu i) par l’arrivée d’un hôte vertébré
infecté dans un nouvel environnement habité par un vecteur compétent ou ii) par l’arrivée
d’un vecteur infecté compétent dans un nouvel environnement peuplé par des hôtes vertébrés
sensibles (de La Rocque et al., 2011).
A partir de la découverte du rôle des insectes dans la transmission de pathogènes (agent
du paludisme, filaires lymphatiques, parasites de la maladie de Chagas, virus de la dengue, de
la fièvre jaune ou de la fièvre West Nile, bacille pesteux, etc.), des campagnes de prévention et
des programmes de lutte ont été menés, souvent avec succès, notamment à partir de la
découverte des insecticides. Mais, depuis environ 30 ans, on assiste à la recrudescence et à
l’émergence de maladies à transmission vectorielle. L’un des exemples récents les plus
impressionnants est l’introduction en 1999 du virus de la fièvre West Nile – maladie à
transmission vectorielle impliquant essentiellement des hôtes aviaires et des moustiques
ornithophiles (principalement du genre Culex) – dans le district de New York, suivie de sa
rapide propagation. Longtemps considéré comme un virus peu pathogène, il s’est imposé
comme une menace sérieuse pour la santé humaine. L’origine du virus introduit en 1999 n’a
toujours pas été élucidée. Cependant sa proximité avec la souche isolée en Israël en 1998
permet de suspecter une introduction depuis le Proche-Orient i) soit avec des oiseaux importés
infectés ou ii) soit avec des moustiques importés infectés, la première hypothèse étant la plus
probable (de La Rocque et al., 2011). Entre 2001 et 2004, le virus de la fièvre West Nile s’est
rapidement répandu à travers l’ensemble des Etats-Unis, les mouvements dispersifs et
aléatoires des oiseaux résidents auraient été le principal mécanisme de cette dispersion,
favorisée par la large distribution de Culex tarsalis Coquillett, un des vecteurs du virus dans la
partie ouest des Etats-Unis (Venkatesan and Rasgon, 2010). Cet exemple illustre une
émergence faisant suite à l’introduction d’une souche exotique, puis à sa transmission par des
vecteurs autochtones. L’installation d’un vecteur exotique dans de nouvelles zones
géographiques peut être un autre mécanisme d’émergence de pathogènes. Depuis 1970, Aedes
albopictus (Skuse), originaire de l’Asie du Sud et vecteur des virus de la dengue et du
chikungunya, s’est rapidement installé à travers le monde (Amériques, Europe, Afrique et
Océanie) (Miller and Ballinger, 1988 ; Ward and Burgess, 1993 ; Lounibos, 2002 ; Simard et
al., 2005 ; Aranda et al., 2006 ; Marini et al., 2010). En France métropolitaine, depuis 2004,
Ae. albopictus s’est durablement implanté dans le département des Alpes-Maritimes, puis
dans les départements de Haute-Corse en 2006, de Corse-du-Sud et du Var en 2007, et des
Bouches-du-Rhône en 2009. L’augmentation du commerce international et plus
particulièrement les cargaisons de pneus usés est un des moyens de dispersion de cette espèce
(Adhami and Reiter, 1998; Reiter, 1998). Cette espèce a été responsable, au cours de l’été
2010, de cas autochtones de dengue et de chikungunya sur le littoral méditerranéen français.
De nombreux facteurs peuvent expliquer la recrudescence de maladies à transmission
vectorielle. En Camargue, ce sont des modifications anthropogéniques de l’écosystème
rizicole (orientations politiques, stratégies de contrôle des ravageurs de culture, contraintes
environnementales, amélioration des techniques de culture, facteurs sociaux) qui ont entraîné
8
d’importantes variations de l’abondance de Culex modestus Ficalbi, l’un des vecteurs du virus
de la fièvre West Nile, au cours du XXe siècle, et qui pourraient avoir participé à la résurgence
de cette maladie à partir de 2000 (Ponçon et al., 2007). En Amérique du Sud, les facteurs
responsables de la dramatique résurgence d’épidémies de dengue, en particulier dans sa forme
hémorragique, sont complexes. Cependant, les principaux facteurs évoqués sont : i) une
croissance importante de la population globale, associée à l’augmentation des voyages
aériens, ii) une urbanisation incontrôlée avec une explosion d’habitations de mauvaise
conception, surpeuplées, une détérioration de la qualité de l’eau et une mauvaise gestion des
déchets aboutissant à une démultiplication du nombre d’habitats larvaires disponibles pour les
vecteurs (principalement Aedes aegypti (L.)) et, iii) un manque de contrôle effectif des
moustiques, avec le problème de l’apparition de résistances aux insecticides, dans les régions
où la dengue est endémique (Gubler, 1989, 1998, 2005).
Le virus de la fièvre catarrhale ovine (FCO, officiellement appelée fièvre catarrhale du
mouton), appartenant au genre Orbivirus (Reoviridae), est un excellent exemple de virus
émergent en Europe. Ce virus est transmis par des moucherons hématophages du genre
Culicoides (Diptera : Ceratopogonidae) (Du Toit, 1944). Cette maladie vectorielle est
potentiellement mortelle chez les ovins, alors qu’elle s’exprime rarement ou sous des formes
moins classiques chez les bovins, caprins et autres ruminants sauvages (à l’exception des
ruminants sauvages états-uniens). L’infection n’entraine pas les mêmes symptômes selon le
pouvoir pathogène des sérotypes et la sensibilité des races ovines (Maclachlan and Gard,
2009).
Bien que la diversité des Culicoides soit importante avec un peu plus de 1 250 espèces
décrites dans le monde appartenant à 36 sous-genres (Beckenbach and Borkent, 2003;
Tabachnick, 2010), relativement peu d’espèces, approximativement une trentaine, sont
impliquées en tant que vecteurs du virus de la FCO dans le monde (Meiswinkel et al., 2004).
La distribution du virus de la FCO est tributaire de la présence de vecteurs compétents,
d’hôtes susceptibles et d’environnement approprié.
La fièvre catarrhale du mouton a été signalée pour la première fois en Afrique du Sud
dans le Report of the Cattle and Sheep Diseases Commission de 1876. Ce signalement faisait
suite à sa découverte chez des moutons de race Mérinos d’origine européenne introduits dans
la colonie du Cap. La maladie était caractérisée par des inflammations aux niveaux des pieds
et de la bouche (Henning, 1956 ; Maclachlan, 2011). Au total, 21 sérotypes parmi les 244
existants sont présents en Afrique du Sud – les sérotypes 17, 20 et 21 étant exotiques (Gerdes,
2004). Au cours du XXe siècle, de nombreux sérotypes ont été découverts dans l’ensemble de
l’Afrique, mais aussi dans de nombreux pays tropicaux et tempérés, notamment suite à
l’évolution des techniques d’analyses virologiques et sérologiques. Le virus de la FCO a été
isolé pour la première fois aux Etats-Unis en 1952 en Floride. Différents groupes de sérotypes
ont par la suite été trouvés aux Amériques (1, 2, 3, 5, 6, 10, 11, 13, 14, 17, 19, 22 en
Amérique du nord, 1, 3, 4, 6, 8, 12, 17 en Amérique centrale et 4, 6, 12, 14, 17, 19, 20 en
Amérique du sud). Deux systèmes épidémiologiques distincts semblent se maintenir avec
Culicoides sonorensis Wirth, vecteur des sérotypes d’Amérique du nord et Culicoides insignis
4
Ces dernières années, plusieurs nouveaux serotypes ont été proposés
9
Lutz, vecteurs de ceux d’Amérique du sud (Walton, 2004). Le maintien de ces 2 systèmes est
difficilement explicable et certainement dû à une combinaison d’interactions
virus/vecteur/hôte, aux conditions environnementales et aux facteurs biotiques et abiotiques
(Tabachnick, 2004). Au Pakistan, la FCO a été décrite pour la première fois en 1959 et en
Inde en 1964. Depuis 5 sérotypes sont dénombrés au Pakistan et 21 en Inde.
Pendant longtemps, la FCO a été considérée en Europe comme une maladie exotique,
(malgré quelques incursions au sud de l’Europe), jusqu’à ce que fin 1998, la FCO soit
diagnostiquée dans plusieurs îles grecques (sérotype 9) (Panagiotatos, 2004). D’autres
incursions suivirent en 1999 (sérotypes 4 et 16) et 2001 (sérotype 1). L’introduction de ces
sérotypes est sans doute liée aux mouvements d’animaux le long de la « ceinture eurasienne
des ruminants » (une zone qui s’étend de l’Asie centrale à l’est du bassin méditerranéen,
contribuant également à la propagation d’autres maladies comme la fièvre aphteuse, la peste
des petits ruminants, la fièvre de la Vallée du Rift ou la variole ovine) (Slingenbergh et al.,
2004; Wilson and Mellor, 2009 ), et liée également à la dispersion passive par le vent de
Culicoides infectés sur des grandes distances. Parallèlement, le sérotype 2 apparaît en
décembre 1999 au Maghreb. En 2000, de nouveaux cas ont été identifiés en Algérie, en
France (Corse), en Espagne (Iles Baléares), en Grèce, en Sardaigne, en Sicile et en Tunisie.
En 2001, la FCO s’est étendue au sud-ouest de l’Italie. En 2003-2004, le sérotype 4 apparait
au Maroc, en Espagne et au Portugal (Gomez-Tejedor, 2004). En 2003, les sérotypes 4 et 16
sont identifiés en Sardaigne, puis peu de temps après en Corse. Ainsi, depuis 1998,
5 sérotypes circulent dans le bassin méditerranéen. A partir d’août 2006 dans le nord de
l’Europe, la FCO prend une toute autre importance avec l’apparition du sérotype 8, qui touche
5 états membres de l’Union européenne (Allemagne, Belgique, France, Luxembourg et PaysBas), puis s’étend en 2007 et 2008 à de nombreux pays d’Europe occidentale. Cette
émergence a eu des conséquences sanitaires désastreuses dans la filière ovine et a engendré
des problèmes économiques majeurs au sein des filières bovines freinant le commerce
international d’animaux et de leurs produits. En parallèle, le sérotype 1, identifié au Maghreb
en 2006, s’est propagé à travers le nord pour toucher le Pays Basque espagnol et le Portugal
en 2007 (Wilson and Mellor, 2009). L’année suivante, ce sérotype a continué à s’étendre pour
atteindre la Bretagne (un seul foyer). De manière plus anecdotique, un troisième sérotype
(sérotype 6) a été identifié en octobre 2008 aux Pays-Bas, provoquant 23 foyers en
Allemagne. L’utilisation illégale d’un vaccin atténué a, un temps, été évoquée pour expliquer
son introduction, d’autant plus qu’un autre sérotype (le 11) a été identifié en Belgique en
janvier 2009, ce dernier étant lui aussi proche d’une souche vaccinale produite en Afrique du
Sud (Wilson and Mellor, 2009).
Les zones nouvellement touchées par le virus de la FCO dans l’ouest du bassin
méditerranéen coïncident avec des zones nouvellement colonisées (dans certains cas
certainement déjà peuplés) par les populations de Culicoides imicola Kieffer (Mellor et al.,
2008) à savoir les îles Baléares (Miranda et al., 2003), la Corse (Delécolle, 2002), la Sicile, la
Sardaigne, ou certaines zones de l’Italie continentale (Conte et al., 2003; Goffredo et al.,
2004; Torina et al., 2004). De plus, cette espèce a été mise en évidence dans le Var, d’abord
des individus erratiques puis des populations installées à partir de 2004. Avec la remontée de
C. imicola vers le nord probablement suite à l’augmentation globale des températures (Purse
10
and Rogers, 2009), la « ligne-C. imicola » (Tabachnick, 2004) délimite deux systèmes
épidémiologiques. Au sud de cette ligne, les foyers de FCO sont liés à l’introduction de
différents sérotypes à partir de la Turquie ou du Maghreb suivant trois routes principales
(Maroc/Espagne, Tunisie/Sicile, Turquie/Grèce et Bulgarie) suite aux mouvements d’animaux
ou à la dispersion par les vents de moucherons infectés. Dans de nombreuses zones, en
particulier dans l’ouest du bassin méditerranéen, c’est C. imicola qui est considéré comme le
vecteur principal. Au nord de cette ligne, dans les zones où C. imicola est absent, ce sont des
espèces autochtones qui ont été les vecteurs du sérotype 8. Récemment, Guis et al. (2011) ont
suggéré que l’augmentation globale des températures s’est accompagnée de l’accroissement
du risque de transmission du virus de la FCO dans le nord de l’Europe.
Au nord de la « ligne-C. imicola », les vecteurs avérés du virus de la FCO n’ont
toujours pas été rigoureusement identifiés. Pour qu’un arthropode hématophage soit incriminé
en tant que vecteur, il faut qu’il réponde à plusieurs critères : i) piquer les hôtes impliqués
dans les cycles de transmission et être présent pendant les périodes de circulation virale, ii)
héberger le virus en conditions naturelles, c’est-à-dire que l’on doit pouvoir isoler le virus
chez des individus capturés sur le terrain, iii) s’infecter en se gorgeant sur un hôte virémique
ou sur un substitut artificiel et iv) être apte à amplifier et transmettre le virus par piqûre
(Organisation Mondiale de la Santé, 1967). Quelques études se sont intéressées à la
compétence vectorielle (aptitude intrinsèque d’une population de vecteur à s’infecter et à
transmettre l’agent pathogène) des Culicoides de la région paléarctique vis-à-vis des sérotypes
transmis en Europe (Carpenter et al., 2006; Carpenter et al., 2008). Elles restent peu
nombreuses à cause des difficultés méthodologiques, aboutissant à de faibles taux de
gorgement, compliquées par de faibles taux d’infection. Les deux espèces du Complexe
Obsoletus, Culicoides obsoletus (Meigen) et Culicoides scoticus Downes and Kettle, sont
capables de s’infecter avec les sérotypes 8 et 9 (Carpenter et al., 2006; Carpenter et al., 2008).
Les faibles taux d’infection observés pourraient être la conséquence de la méthode de
gorgement dans cette étude (Venter et al., 2005; Carpenter et al., 2006). La recherche de virus
chez des Culicoides capturés sur le terrain a été menée dans différents pays (Caracappa et al.,
2003 ; Savini et al., 2005; Meiswinkel et al., 2007; Dijkstra et al., 2008; Hoffmann et al.,
2009 ; Vanbinst et al., 2009). Du virus a été identifié chez des individus du Complexe
Obsoletus, chez Culicoides chiopterus (Meigen) et Culicoides dewulfi Goetghebuer, toutes
ces espèces appartenant au sous-genre Avaritia, mais aussi chez Culicoides pulicaris
(Linnaeus). Des données sont disponibles sur la distribution et la dynamique de population
des espèces de Culicoides (Torina et al., 2004; Purse et al., 2006; Takken et al., 2008). Elles
proviennent essentiellement de captures réalisées, à différentes échelles spatiales et
temporelles, à l’aide de pièges lumineux, en particulier suite à la généralisation des systèmes
de surveillance en Europe. Or, ces méthodes de capture ne représentent pas correctement la
diversité et l’abondance des Culicoides entrant en contact avec les hôtes (Carpenter et al.,
2008; Gerry et al., 2009), information pourtant essentielle pour déterminer les espèces
vectrices et pour évaluer le risque de transmission.
11
Problématique
Comme nous venons de le voir, la biologie et l’écologie des espèces vectrices de
Culicoides, conditionnent en grande partie la transmission du virus de la FCO. Nous nous
intéressons à la relation entre l’hôte et les espèces paléarctiques, et à leurs conséquences dans
la transmission du virus de la FCO en région tempérée.
Les enjeux de ce travail de thèse sont triples. Tout d’abord, il répond à un enjeu
scientifique qui est la compréhension de l’association entre insectes hématophages et hôte
vertébré, en prenant pour modèle la relation hôte/vecteur responsable de la transmission du
virus de la FCO. Ce modèle est particulièrement intéressant dans la mesure où il s’agit d’un
exemple de maladie à transmission vectorielle émergente en Europe avec deux mécanismes
distincts : i) la remontée vers le nord d’un vecteur exotique et ii) la transmission de virus
exotiques par des vecteurs autochtones. C’est aussi un des seuls exemples où l’augmentation
globale des températures semble directement responsable de l’émergence de cette maladie
vectorielle. La compréhension de ce modèle complexe permet également de mieux
appréhender les autres maladies vectorielles, dont le pathogène est transmis par les
Culicoides, comme la peste équine ayant pour hôtes les chevaux (Mellor et al., 1990) et la
maladie épizootique hémorragique des cervidés (EHD) (Gerbier et al., 2011).
D’autre part, ce travail peut avoir des implications dans la lutte et dans la surveillance
puisqu’il peut permettre, en alimentant les connaissances sur les vecteurs potentiels, de
proposer des mesures de prévention, des stratégies de lutte anti-vectorielle et une optimisation
de la surveillance.
Enfin, l’étude des Culicoides, et plus particulièrement l’étude de leur contact avec l’hôte
(paramètre rentrant dans la caractérisation de la transmission), a nécessité l’utilisation et le
développement d’outils adaptés aux difficultés du modèle offrant, ainsi, un formidable défi
méthodologique.
Objectif général
Ce travail de thèse tend à améliorer les connaissances sur la biologie et l’écologie des
espèces de Culicoides suspectées vectrices du virus de la FCO en caractérisant le
comportement trophique.
Stratégies, objectifs spécifiques et structure de la thèse
L’aspect récent de l’intérêt suscité par les Culicoides en région paléarctique explique le
faible nombre d’articles de synthèse et le manque de standardisation entre les différentes
études sur l’écologie des espèces d’intérêt pour cette région. Afin de combler ce manque, une
revue de l’état de l’art sur la biologie et l’écologie des Culicoides adultes rassemble les
12
connaissances actuelles, en essayant d’identifier les lacunes et les pistes de recherche à
explorer (chapitre 1).
L’étude du comportement trophique des Culicoides nécessite des captures sur appât,
méthode directe la moins biaisée pour étudier la diversité et mesurer l’abondance des insectes
qui viennent au contact de l’hôte pour se gorger (Carpenter et al., 2008). Pour comprendre la
représentativité du nombre de Culicoides venant se gorger sur animal, c'est-à-dire le taux de
piqûre, il a fallu tout d’abord comparer les pièges utilisés pour étudier le contact hôte/vecteur.
A l’aide d’une méthode standardisée (méthode des carrés latin), deux méthodes classiques de
capture sur appât (le drop trap et l’aspiration directe) ont été comparées entre elles, à un piège
à appât développé pour cette étude et à un piège lumineux communément utilisé dans de
nombreuses études ou actions de surveillance. Il s’agit d’appréhender les possibles biais de
chaque piège (chapitre 2). Notre premier objectif spécifique est de comparer les estimations
du taux de piqûre des espèces de Culicoides par chacun des systèmes de piégeage pour
déterminer les conditions possibles d’utilisation de ces pièges.
Le choix de l’hôte par les insectes hématophages est un facteur crucial qui détermine
l’intensité de la transmission des pathogènes. La spécialisation alimentaire est le résultat
évolutif d’un compromis entre le bénéfice d’attendre un hôte approprié et le risque de mourir
avant d’avoir pu se gorger dessus, aboutissant à des comportements spécialisé ou opportuniste
(Lyimo, 2009). Théoriquement, un comportement opportuniste doit être sélectionné dans un
environnement où la probabilité de rencontre avec l’hôte est faible, alors qu’un comportement
spécifique doit être sélectionné dans un environnement avec un large choix d’hôtes
appropriés. Ces comportements trophiques dépendent de la disponibilité en hôtes, mais
également de leurs comportements de défense face aux piqûres (Kettle, 1962 ; Kay et al.,
1979 ; Blackwell et al., 1994). Notre second objectif spécifique est de caractériser les
préférences trophiques des espèces paléarctiques de Culicoides. Dans un premier temps, nous
avons utilisé une méthode directe, comparant l’attractivité de cinq espèces d’hôtes différentes
en utilisant un protocole standardisé en carré latin. Le choix de l’hôte est influencé par
différents facteurs externes à l’insecte, qu’ils soient propres à l’hôte (taille, poids, surface
corporelle, couleur, odeur) ou propres à l’environnement (présence d’autres animaux
environnants, conditions climatiques) et donc peut être dépendant de la localité. L’étude des
préférences trophiques à une large échelle par des méthodes directes (pièges sur appât) est
limitée pour des raisons logistiques et pratiques. Ainsi, afin d’avoir une représentation des
préférences trophiques sur une large échelle, cette approche expérimentale a été complétée par
le développement et la validation d’un outil moléculaire d’identification de l’origine des repas
de sang à partir d’une PCR multiplexée espèce-spécifique. Cette méthode a été appliquée à
des femelles gorgées capturées sur différents sites en France (5 fermes réparties entre les
Pyrénées-Atlantiques et l’Ille-et-Vilaine) (chapitre 3).
Chez toutes les espèces animales, il existe une adaptation de nombreuses fonctions
internes aux cycles externes de l’environnement. Ces rythmes ont une périodicité d’environ
24 heures, sont sous dépendance de mécanismes endogènes appelés système circadien et
13
entraînent des variations comportementales et physiologiques (Tomioka and Sakamoto,
2006). Chez les insectes, cela peut se manifester par des changements de comportement
(activité de déplacement) ou des variations de sensibilité aux stimuli visuels ou olfactifs
(Corbet, 1966). Le rôle le plus important du système circadien est de programmer les
phénomènes physiologiques et comportementaux de l’insecte à un moment opportun
(anticipation des différents moments de la journée et des changements de saison pour
optimiser l’activité de vol, d’accouplement, de recherche d’hôte, de gîte de ponte). On peut
supposer que les heures d’activité de recherche d’hôtes sont sélectionnées pour maximiser le
succès du repas sanguin, c'est-à-dire aboutir à une activité au moment où les hôtes sont
disponibles et minimiser la mortalité au moment de ces déplacements. De même,
l’endophagie, c'est-à-dire la capacité des insectes à pénétrer dans les bâtiments pour piquer
leurs hôtes, est une adaptation pour rencontrer leurs hôtes. Notre troisième objectif spécifique
est d’analyser l’activité journalière des Culicoides et leur capacité à entrer dans un bâtiment
pour se gorger. Pour cela, des captures sur appât ont été effectuées au cours de trois saisons
(printemps, été, automne) et sur trois niveaux d’ouvertures de bâtiment (barrière physique)
(chapitre 4).
Par ailleurs, les captures sur appât réalisées pour ces différents objectifs ont permis de
faire l’inventaire des espèces de Culicoides piquant les hôtes d’intérêts, déterminer leurs sites
de piqure sur l’animal et de comparer les abondances obtenues par piégeage lumineux et les
taux de piqure obtenus avec les pièges à appât (chapitre 2, 3 et 4).
Enfin, une discussion générale a permis de mettre en perspective les résultats de ces
travaux par rapport aux connaissances actuelles sur la biologie et l’écologie des Culicoides et
sur celle d’autres vecteurs et de discuter dans quelle mesure ils apportent des réponses sur les
mécanismes de la transmission du virus de la FCO et des pistes pour la prévention de cette
dernière.
14
Chapitre 1 :
Revue des connaissances sur la biologie et l’écologie
des Culicoides adultes et sur les méthodes de capture
pour estimer le contact hôte/vecteur
15
16
Introduction au chapitre 1
La première description de Culicoides a été publiée par le révérend William Derham
en 1713 (Reye and Lee, 1963; Mellor et al., 2000). Longtemps appelés « sandflies » pour leur
fréquente présence sur les plages ou pendant les parties de pêche, les Culicoides vont être
reconnus d’abord comme des insectes nuisibles, puis comme des vecteurs de virus et filaires.
Au 20e siècle, ces insectes sont étudiés principalement aux Etats-Unis pour leur nuisance et
en Afrique du Sud et Australie à cause de leur rôle dans la transmission des virus de la peste
équine et de la fièvre catarrhale du mouton. La biologie et l’écologie des espèces européennes
ont cependant suscité l’intérêt de peu d’équipes. En France, Callot, Kremer et Delécolle ont,
pendant leur carrière, développé et entretenu une collection muséologique impressionnante de
nombreuses espèces de Ceratopogonidae et plus particulièrement de Culicoides.
Dès l’apparition du virus de la FCO dans le bassin méditerranéen à la fin des années
1990, des systèmes de surveillance de l’activité des populations de Culicoides se mettent en
place dans le sud de l’Europe. Ils ciblent principalement C. imicola, vecteur avéré du virus de
la FCO. A partir de 2006, l’émergence et la rapide diffusion du virus de la FCO en Europe
placent les Culicoides sous les projecteurs. En réponse à une exigence réglementaire
communautaire, de nombreux réseaux de surveillance se mettent en place en Europe, qui se
heurtent au manque d’expertise dans l’identification des Culicoides – peu de pays ayant des
experts reconnus dans le domaine. En effet, l’identification des Culicoides, caractérisés par
leur petite taille et par une grande diversité spécifique encore mal définie, demande beaucoup
de temps et d’expérience malgré l’existence de clés d’identification dichotomiques (Campbell
and Pelham-Clinton, 1960; Delécolle, 1985). En parallèle à la mise en place de ces réseaux,
de nombreuses études se mettent en place pour essayer de pallier le manque de connaissance
sur la biologie et l’écologie de ce groupe d’insectes.
Peu de travaux de synthèse ont été publiés sur la biologie et l’écologie des espèces de
Culicoides, qu’ils soient nuisibles ou vecteurs avérés, à l’exception de la revue de Kettle
(1962) qui porte sur l’écologie et le contrôle des genres Culicoides et Leptoconops. Ce
chapitre se propose de faire une revue de la littérature, pour mettre en exergue les parties de la
biologie et l’écologie des Culicoides au stade adulte qui restent peu ou mal décrites, de
manière à dégager des axes de recherche. Ce chapitre a vocation à être soumis pour
publication. Néanmoins, il n’est pas dans une version aboutie et doit être considéré comme
une version préliminaire.
17
18
Review of the biology and ecology of adult Culicoides biting
midges and of trapping methods to assess host/vector contact
E. Viennet1et al.
1
CIRAD, UMR Contrôle des maladies, F-34398 Montpellier, France
Corresponding authors:
*
Cirad, Contrôle des Maladies Animales Exotiques et Emergentes, Campus International de
Baillarguet, TA-A15/A, 34398 Montpellier Cedex 5, France
Phone: + 33-(0)4 67 59 38 56; [email protected] or [email protected]
19
Revue sur la biologie et l’écologie des Culicoides adultes
Introduction
Observations of the clinical signs of bluetongue disease were first recorded from
Merino sheep imported from Europe into what was then the South African Cape Colony in the
early 20th century, although anecdotal reports of the disease pre-dated this report (see review
in Mellor et al. (2000); Mellor (2004)). Circumstantial evidence suggested that bluetongue
disease was carried by an insect: bluetongue disease was most prevalent during the late
summer months following wet seasons, when insects multiplied rapidly, and no disease
outbreaks were observed after the first heavy frosts, sheep stabled in sheds during summer
night were less infected, and disease were more present in low lands than at higher altitude.
Mosquitoes were initially incriminated as the most likely vectors. After an exhaustive search
for a natural agent of transmission, du Toit (1944) proved the role of Culicoides (Diptera:
Ceratopogonidae) in bluetongue virus transmission, through the injection of homogenized,
field-collected midge emulsions and a preliminary transmission experiment between sheep
using Culicoides imicola Kieffer. Latterly Hardy and Price (1952) confirmed that Culicoides
variipennis (Coquillett) was also involved in bluetongue transmission in the United States.
Meanwhile, biting midges were recognized as main nuisance in several coastal areas of the
United States where they were responsible for limitation for land development and tourism
activities. Since their implication as bluetongue vectors, field and laboratory studies were
implemented in different countries to understand the biology and ecology of Culicoides,
vector competence, and epidemiology of others Culicoides-borne diseases to implement
adequate vector control strategies. These studies concerned bovine and equine onchocerciasis
in the United States (Collins and Jones, 1978; Cummings and James, 1985) Australia (Ottley
et al., 1983), United Kingdom (McCall and Trees, 1993), livestock hypersensitivity and horse
sweet itch in Israel (Braverman et al., 1983; Yeruham et al., 1993).
More than 1300 Culicoides species are known worldwide with the exception of
Antarctica and New Zealand (Borkent, 2011). Certain species are a biting nuisance to
humans, cause an acute allergic dermatitis in horses and are incriminated as virus and filarial
worms vectors in all biogeographical regions. Culicoides-borne diseases of international
significance for animal health are bluetongue and other related Orbivirus diseases, African
horse sickness, epizootic of hemorrhagic disease. African horse sickness has been periodically
recorded beyond its traditional enzootic range in subsaharian Africa, with unexpected
incursions into southern Europe (Spain and Portugal) as in 1987, through zebra introductions.
Until 1980, Europe was considered free of bluetongue, thus considered as an exotic disease.
Occasional incursions of bluetongue virus were observed into Spain, Portugal and Turkey,
apparently related to Culicoides (mostly C. imicola) originating from North Africa or Middle
East passively moved by winds. Early in 1998, C. imicola spread into new territories in the
Mediterranean basin and coincidentally bluetongue strains became established following two
main routes. Epidemiological situation changed drastically in august 2006 when serotype 8
invaded central and northern Europe, areas known to be out of C. imicola distribution.
Although the origin and route of introduction are still hypothesized, it clearly appeared that
the Palaearctic autochthonous biting midges were responsible for bluetongue transmission
(Fig. 1).
20
Chapitre 1
Figure 1. The worldwide distribution of Bluetongue virus (BTV) serotypes and the primary Culicoides
vectors in different geographical regions denoting six predominant BTV episystems [in Tabachnick, W.
J. 2009, Challenges in predicting climate and environmental effects on vector-borne disease episystems
in a changing world. J. Exp. Biol. 213, 946-954, modified from Tabachnick (2004)].
The spread of bluetongue in western and northern Europe leads to a serious sanitary crisis
with important economic losses.
The epidemiological changes in bluetongue and African horse sickness virus transmission in
the last decade and the potential risk of transmission into new territories in a next future
highlighted the urgent need for a better understanding of adult biting midge bionomics and
ecology, especially in new transmission areas such as the Palaearctic region. However,
methodological difficulties or bias in biting midge collections, the failure to establish colonies
as well as the taxonomic imbroglio hampered the understanding of biting midge biology and
ecology. The description and assessment of adult biological parameters is fundamental for
epidemiological models and to evaluate vector control measures and strategies. This review
aims at describing the current available knowledge on adult Culicoides biology and ecology
and discussing why certain areas have received little attention and suggesting strategies or
experimentations that could aid future risk assessment and intervention.
Female Culicoides as haematophagous dipteran feed on blood, to provide proteins and
nitrogen for the maturation and development of the eggs. Throughout the female biting
midge’s life, a succession of three successive biological phases (Beklemishev phases) occurs
before and after the blood meal: (i) the search for a host and blood-feeding, (ii) digestion of
the blood and egg maturation, and (iii) the search for a suitable oviposition site and
21
oviposition. The gonotrophic cycle duration may then be defined as the time interval between
two consecutive blood-meals (or the time interval between two consecutive acts of egglaying) (Fig. 2). Only two species are known to be parthenogenetic5 and autogenous6,
respectively Culicoides bambusicola Lutz and Culicoides bermudensis Williams. In this
cyclic mode of reproduction the biting rate is determined by the length of the gonotrophic
cycle (i.e. one bite with a complete blood meal per cycle). The measurement of the biting rate
and reliable estimates of biological trends are important parameter in transmission models and
in formulas such as the vectorial capacity, which predict the vector's pathogen-transmitting
potential, but also to establish appropriate vector control measures.
Figure 2. Trophogonic cycle of the Culicoides vectors. From Purse et al. 2005 Nature Reviews
Microbiology 3, 171-181
Breeding sites and adult emergence
For a huge majority of Culicoides species, larval habitats are not described and are
largely unknown. Therefore, few data on emergence and emergence frequency are described
5
Parthenogenetic: derived from the word "parthenogenesis", comes from the Greek παρθένος, parthenos, meaning "virgin",
and γένεσις, genesis, meaning "birth". A form of asexual reproduction found in females, where growth and development of
embryos occurs without fertilization by a male
6
Autogenous: self-generated or self-generating
22
Chapitre 1
in the literature. Ideally, emerging/emergence traps placed over larval habitats will be used to
assess sex ratio, emerging frequency and time. Generally, males emerge slightly earlier than
females. In northeastern Colorado, Barnard and Jones (1980) studied the diel emergence
patterns of C. variipennis using an emergence trap designed by Bildingmayer (1961), Davies
(1966) and modified by Braverman (1970). Adult emergence exhibited bimodal diel pattern
with one principal peak just after sunset and a second peak three to five hours after the
sunrise. Males and females emerged in equal numbers at the first peak whereas at the second
peak, more males emerged than females. Long term field investigations on Culicoides furens
(Poey) in Florida compared seasonal emergence in three different habitats (tidal ditches,
impoundments, and brackish pools) using emergence traps. Light traps were also used.
Emergence from brackish pools and tidal ditches was observed early March to early June with
a maximum in May, with a clear decrease during the cold months (from October till March).
The emergence pattern from impoundments was a lower peak of emergence later in the
summer, with a continuation of adult emergence throughout the summer. Authors highlighted
the importance of water temperature, soil temperature and composition. Seasonal emergence
dynamics followed by light traps were different from the data obtained with the emergence
traps. These findings are sufficient for Linley et al. (1970) to justify the assessment that light
traps provide an incomplete representation of the seasonal emergence. Emergences of
Culicoides obsoletus (Meigen) in France from soil samples collected outside and inside two
holdings were recently observed (Ninio et al., 2011). In one holding, C. obsoletus midges
emerged from used litter collected inside a dairy cow building and from manure left outside
the farm buildings. In the second holding, the number of emergences observed was much
lower, especially for indoor samples. Authors highlighted the impact of farming practices on
the abundance of emergence. Larval ecology of biting midges is a neglected research area
principally because of the microscopic size of larvae and pupae resulting in time-consuming
and difficult morphological identification step. Understanding and estimates of biological
parameters linked to emergence would be better access when larval ecology and description
of larval habitats for the species of veterinary interest will be addressed.
Swarming and mating
Male swarms occur in many species of Culicoides and are always near the habitat
from which they have emerged, close to a species-specific swarm-marker (tree branch, dark
rock). Occasionally, male flying alone might search for a female. It is possible that some
species does not form mating swarms such as Culicoides melleus (Coquillett) (Linley and
Adams, 1972). Culicoides females often fly through male swarm and are recognized by the
wing beat frequency and the secretion of pheromones. They can mate rapidly during the flight
(Downes, 1955), on a substrate (Downes, 1955), or without flying while the female is feeding
on host, as Culicoides nubeculosus (Meigen) (Downes, 1950; Kettle, 1962). The flight pattern
was observed as mostly backward-and-forward, side-to-side and up-and-down movements.
Swarming behavior was studied to distinguish among members of species complex as it can
act as a reproductive isolation mechanism among closely related species. Downes (1978)
23
suggested that Culicoides occidentalis Wirth and Jones, a western form of the C. variipennis
complex, is a facultative swarmer whereas C. variipennis, an eastern form, is an obligate
swarmer, considering therefore two different taxonomic entities. Zimmerman (1982) found
that a pairing occurred every 10 to 15s with 120 to 360 matings/swarm. Culicoides brevitarsis
Kieffer formed swarms in the presence or absence of host, but the presence of host increased
the swarm size being an attraction cue for females, and decreased the distance between swarm
and cattle (Campbell and Kettle, 1979). Culicoides brevitarsis swarms have been observed
mostly 1 hour before sunset and stop at or soon after sunset. Humidity, temperature, cloud
cover and the presence of direct sunlight did not influence the probability that swarms form.
A better understanding of swarming and mating behavior of natural populations could help for
the set up and maintenance of lab colonies and control.
Flight range, dispersal and vertical activities
Flight distances of Culicoides recorded vary from only a few hundred meters (Kettle,
1951; Lillie et al., 1981; Murray, 1987) to several kilometers (Kettle, 1960; Sellers, 1980;
Murray and Kirkland, 1995) although cues and physiological limitations that restrict range are
poorly understood, and biting midges are recognized as bad active flyers. Studies of longdistance dispersal are usually inferred from incursions of Culicoides-borne pathogens onto
islands and across large stretches of water in the absence of animal movement as in Australia
(Johansen et al., 2003), and in southern Europe (Capela et al. 2003; Torina et al. 2004). Many
insects use the fast moving nocturnal, low-level jet stream at the top of the atmospheric
boundary layer to assist long-distance migration (Chapman et al., 2004; Reynolds et al.,
2008), and individual Culicoides have been caught at heights of several hundred metres
(Glick, 1939; Hardy and Cheng, 1986; Johansen et al., 2003; Sanders et al., 2011). Culicoides
are sensitive to desiccation and have low self-propelled flight speeds in comparison with
many other vector groups. Appetitive flight is governed by temperature, humidity, and light
intensity thresholds and appears to be inhibited by wind speeds >3 m/s. Walker et al. (1977)
observed that the activity of C. imicola and Culicoides schultzei (Enderlein) species group
was inhibited when wind speed exceeded 3 m/s, and 2.2 m/s in Australia for C. brevitarsis
(Murray, 1987). Suitable estimated climatic conditions for the survival of Culicoides in Israel
are at temperature from 15 to 35 °C, a relative humidity above 25% and wind velocity up to
35 km/h at a suitable altitude of 1 km (Braverman and Chechik, 1996). In the lab, the flight
behavior and activities of two Oriental species, Culicoides oxystoma Kieffer and Culicoides
pictipennis (Staeger) (originally called Culicoides maculatus) was particularly influenced by
temperature, with optimum in the range between 10°C and 20°C, while the activities under
10°C were very limited for both species. Purse et al. (2005) reported that recruitment to the
adult population of C. imicola is inhibited below a threshold temperature of about 8–10°C.
The optimal method to access flight range is capture-mark-release experimentations. This is
feasible when a large number of individuals can be breed from laboratories colonies or
collected alive from field collections. To date, few capture-mark-release studies of Culicoides
biting midges are published. Different methods have been deployed to study the vertical
distribution of biting midges including air-planes (Glick, 1939), bird-baited traps (Haddow
24
Chapitre 1
and Dick, 1948), sticky traps (Kettle, 1951), truck-trap (Murray, 1987; Johansen et al., 2003),
light-traps (Murray, 1987; Bishop et al., 2000), and balloon net traps (Johansen et al., 2003).
All these studies show that Culicoides species occurred at high altitude, even if occasional,
with a biased sex ratio towards male.
Host-seeking behaviors
Visual stimuli and odor attractants role
Visual stimuli and body odors mediate the attraction of hematophagous diptera to their
hosts (Bishop et al., 2008). Culicoides species certainly use the maxillary palps and the
antennae as main olfactory structures for resource location (Blackwell et al., 1992).
Unfortunately, responses to chemicals are less clear for Culicoides species than for
mosquitoes. Visibility of the animal can be a determining factor (Braverman et al., 2003).
Humphreys et al. (1973) analyzed the effect of host color on attractiveness. No significant
attraction difference was noticed for Culicoides guttipennis (Coquillett) and Culicoides
sanguisuga (Coquillett), the two most abundant species inVirginia, with black and white
hosts. Braverman et al (2003) observed that C. imicola avoided white areas, preferring to land
on the dark haired areas of the body. The authors suggested that contrasts are probably
important visual cues as well as temperature intensities. Interestingly, C. brevitarsis is not
attracted when cattle is under cover. This could result from blocked vision but one can
hypothesize that the cover also limits odors to disperse (Bishop et al., 2008). The presence of
animals is a key determinant for the size of Culicoides collections (Bellis and Reid, 1996;
Baylis et al., 2010), but the relationship between the biomass of animals on the attraction of
Culicoides by a trap is not well known. Garcia-Saenz et al. (Garcia-Saenz et al., 2011)
described the influence of host number on the total catch of Culicoides using light trap. The
number of specimens of the Obsoletus Group, the most abundant species collected during this
study, increased proportionally with the number of sheep.
Several volatile compounds that mediate host-seeking behaviour in other hematophagous
vectors have already been identified and tested in laboratory, semi-field or field studies.
Carbon dioxide (CO2) plays an important role, presumably for biting midge activation and
attraction over longer distances. Nelson (Nelson, 1965) observed the positive response of
Culicoides variipennis species complex to traps baited with C02 (with dry ice). Ammonia,
lactic acid and carboxylic acids are released from host skin. Nevertheless, Gerry et al. (2009)
traps baited with CO2 collected fewer species than the other collection methods (UV-baited
suction trap and sheep-baited trap). However, the factors determining the quantity of
compounds and composition of the odor blend released from the host skin that mediate biting
midge behaviour have received little attention. Recently, attraction with 1-octen-3-ol
(Blackwell et al., 1996) and CO2 + 1-octen-3-ol (Bhasin et al., 2000) were tested. For many
Culicoides species, the combination of 1-octen-3-ol + CO2 on baited traps increases the
number of insects collected (Kline et al., 1994). The efficacy of putative other attractants such
as acetone, butanone, 1-octen-3-ol, phenol and three blends of seven phenolic compounds
were also tested by Bhasin et al. (2001) on Culicoides impunctatus Goethghebuer in Scotland
25
using odor-baited ‘delta-traps’ and suction traps. Acetone proved to be important attractant
bait, and C02 plays a role in host location. Synergism between CO2 and 1-octen-3-ol or CO2
and acetone was observed. The addition of cow urine to 1-octen-3-ol greatly enhanced the
catch efficacy compared to either cow urine or 1-octen-3-ol alone. Bishop et al (2008)
demonstrated that C. brevitarsis was attracted to CO2 or CO2 + octenol, but not to octenol
alone. Bishop et al. (2008) proposed that C. brevitarsis first locates host using visual stimuli
and then secondarily is attracted to CO2 + octenol close to the host. Grant et al. (Grant and
Kline, 2003) shown that maxillary palp sensilla neurons are responsive to stimulation with
CO2 but not to other olfactory attractants tested (1-octen-3-ol; 7 carbon ketones, 8 carbon,
branched ketone and 6 carbon, branched ketone). Behavior responses of Culicoides species
are dose-dependent to host odor (Bhasin et al., 2001; Mands et al., 2004). Mands et al. (2004)
tested the efficacy of host odors from five hosts (sheep, red deer, calf, pony, water buffalo).
All five host extracts were attractive to C. impunctatus with responses to deer and water
buffalo extracts becoming significantly attractive at 10-fold higher concentration than other
hosts extracts. In fine, identifying sensory signals the host releases and understanding how
they are detected would help to develop adequate strategies to control the biting midges.
Host preference
Although many studies of host preferences have been conducted for various mosquito
or tick vector species (Mukabana et al., 2002; Humair et al., 2007; Lyimo and Ferguson,
2009); it has been a neglected area for biting midges until the spread of bluetongue in Europe.
Localized studies were implemented with animal baited traps but it is difficult to draw
conclusions whether species are specialized or opportunist. Different strategies could help
understanding host preferences: direct approach with collections on different host such as
with direct aspiration or sticky traps on hosts, and indirect approaches with the analysis of the
origin of blood meal with immunological or molecular tools. The first methodology has few
been used for Palaearctic Culicoides species (Viennet et al., 2011), though it is more easy and
rigorous to analyze data from host-baited trap collections than from blood-meal
identifications: less hypotheses on blood-meal distribution in host populations are necessary
for the first method (Balenghien et al., 2011).
Collecting engorged biting midges is challenging, and the most unbiased sampling method for
engorged females would be directly in resting places, but to date, the resting places of
Culicoides remain poorly described. Unbaited traps such as vehicle-mounted traps have been
used but they are not easy to use in the field and the number of engorged females collected is
very limited (Nelson and Bellamy, 1971; Roberts and Kumar, 1994). Baited light-traps are
widely used for surveillance and research activities but the proportion in diversity and
abundance of the population collected is not very well understood. When used with animal
baits, light traps collected the active flying part of the population (males and females) with
most of females being host-seeking. The difficulty to collect engorged Culicoides with regular
trapping systems is a limiting factor to have a broad picture of the feeding behaviour of
species, coupled with the necessity to have the host susceptible to be bited.
26
Chapitre 1
Most Culicoides species are suspected to be mammophilic, biting mostly domestic and wild
mammals (Blackwell et al., 1994; Linden et al., 2010). Recent studies in the Palaearctic
region showed that C. obsoletus was attracted and found blood-fed on sheep or goat
(Carpenter et al., 2008; Gerry et al., 2009; Mullens et al., 2010). Culicoides parroti Kieffer
has been found feeding on horses and sheep (Mellor and McCaig, 1974; Gerry et al., 2009).
Culicoides impunctatus is mostly known for its generalist behaviour, while C. circumscriptus
is considered to be a bird feeder (Blackwell et al., 1994). In the United States, Culicoides
sphagnumensis Williams, Culicoides stilobezzioides Foote and Pratt, Culicoides travisi
Vargas, C. sanguisuga, Culicoides crepuscularis Malloch, Culicoides Canadensis Downes,
Culicoides biguttatus (Coquillett), C. spinosus Root and Hoffman and Culicoides piliferus
Root and Hoffman species group were collected in bird-baited traps by Greiner et al. (1978).
Some species feed on reptiles and frogs (Votypka et al., 2009). Some Culicoides species have
been found to blood feed on engorged mosquito, as Culicoides anophelis Edwards (Edwards,
1923; Laird, 1946). Auezova (2008) shown that species can be collected from many host
species, as man, different mammals, birds, and reptiles in Kazakhstan. Some species were
collected exclusively on certain hosts (for instance on horse and cattle Culicoides fascipennis
(Staeger), Culicoides grisescens Edwards, Culicoides maritimus Kieffer and C. pictipennis;
on poultry and wild birds C. circumscriptus and Culicoides simulator Edwards) whereas,
other species were less selective as C. obsoletus, or even largely opportunistic as C. turanicus
Gutsevich and Smatov collected on all studied hosts.
Indirect approaches on host preferences were investigated first with immunological assays
(Tempelis, 1975; Washino and Tempelis, 1983; Pant et al., 1987) and then with DNA-based
assays (Mukabana et al., 2002), with higher specificity and sensitivity (Townzen et al., 2008;
Alcaide et al., 2009; Bartsch et al., 2009; Lassen et al., 2011). Identification of the origin of
blood-meal allows to determinate the host range of species among potential hosts, even
though at long distance from the trap. This was demonstrated for Culicoides chiopterus
(Meigen) (Bartsch et al., 2009; Garros et al., 2010) allowing hypotheses of long active flight
for engorged females.
Preferential landing and engorging sites
Investigations have been undertaken to study the landing and engorging body sites
predilection of Culicoides species using different trapping methods. Direct aspiration is
appropriate as described by Schmidtmann et al. (1980) and Greiner et al. (1990) but worker
presence can disturb collection (Viennet et al., 2011). A sticky cover trap was designed and
tested in the field and showed to be efficient to estimate biting rate for dominant species
(Viennet et al., 2011).
Literature data show that landing and engorging sites are different according to the Culicoides
species, to the bait animals and to weather conditions and season. On horse, it has been
observed that the mane and tail appear to be more often affected than the ventral midline
(Riek, 1953; Mellor and McCaig, 1974; Townley et al., 1984). Nevertheless, Anderson et al.
(Anderson et al., 1988) observed C. obsoletus attacking preferentially the ventral midline
(Mellor and McCaig, 1974; Mullens et al., 2005). Culicoides imicola prefers to land on horse
or calf back (Braverman, 1988; Braverman et al., 2003). Schmidtmann et al (1980) shown
27
that C. biguttatus, C. obsoletus and Culicoides stellifer (Coquillett) were attracted mainly in
the belly regions of claves whereas C. spinosus was attracted to dorsal body regions (back and
neck). On sheep and pony, C. biguttatus, C. obsoletus and C. stellifer were mostly captured
from the belly. Attraction to the legs of grazing heifers was reported for C. chiopterus in
Denmark (Overgaard Nielsen, 1971). Using a sticky cover trap, Viennet et al. (2011) showed
that Culicoides brunnicans Edwards attacked all parts of the horse, whereas C. obsoletus
seemed to attack preferentially lower parts and Culicoides dewulfi Goetghebuer the upper
parts. On the contrary, Townley (1984), who explored the preferential landing and feeding
sites of Culicoides on horses in Ireland, observed that the most abundant species, C. obsoletus
and C. dewulfi, did not seem to have preferential landing sites whereas Culicoides punctatus
(Meigen), C. nubeculosus and Culicoides pulicaris (Linnaeus) fed at the predilection sites of
sweet itch. Preferential landing sites may differ for a same Culicoides species depending on
the host, due to variations in hair wool density, colors and skin temperatures according to the
host body parts.
Although the trap requires some improvements, the sticky cover trap should be used as
standardized method in future studies to evaluate preferential sites of main abundant species.
Endo/exophagy – endo/exophily
The place where the blood meal is taken (endo/exophagy) and then digested
(endo/exophily) is important to target housing sheds, to give appropriate recommendations
and propose vector control strategies. Studies shown that different parameters may interfere.
Nielsen and Christensen (1975) observed that different species of Culicoides were able to
enter into the cowhouse depending on the season: in May, C. punctatus, C. vexans; early
June, C. punctatus, Culicoides subfasciipennis. Kieffer, Culicoides vexans (Sateger), C.
obsoletus, Culicoides festivipennis Kieffer (Culicoides odibilis Austen) and C. nubeculosus;
in mid-June and in summer C. nubeculosus was the dominant species inside cowhouse. Using
light-traps inside and outside stable, Anderson et al. (1993) observed that although the most
abundant species, few specimens from Obsoletus Group (6%) were able to enter inside and
attacked a horse. Baldet et al. (2008) investigated the Culicoides indoor and outdoor activity
in northern France, and observed that Obsoletus Complex species and C. dewulfi, can be
active not only outside the shed but also inside cattle shed at night. The indoor trapping rate
(ITR) seemed to be dependent of the outside temperature. The authors raise attention of the
host density near vicinity of the trap and openness of the building. Using host baited traps in
three different locations (field, largely-open stable and closed stable), Viennet et al.
(submitted) highlighted that C. brunnicans was clearly exophagic, whereas C. obsoletus was
able to enter into buildings. The outdoor/indoor ratio of C. obsoletus abundance was higher in
summer than in spring and autumn, and was dependent on building openings. Weather
conditions are also primordial to explain changes in endo/exophagic behavior. In the
Netherlands, Culicoides have been collected with UV-light/suction traps both inside and
outside a partially open shed housing cattle (Meiswinkel et al., 2008). Approximately,
threefold more Culicoides have been collected outside than inside, but this trend was reversed
on overcast day displaying eightfold more Culicoides inside than outside. In South Africa, the
exophagic behavior of C. imicola lead to the stabling of horses some hours before sunset and
28
Chapitre 1
until a few hours after sunrise and was a great measure to prevent from African horse sickness
(Meiswinkel et al., 2000). However, Barnard (1997), using downdraught suction light-traps,
shown that C. imicola entered horse stables passively and the presence of animals around may
increase their abundance. Moreover, in Spain, C. imicola was collected consistently more
inside than outside stables, compromising the protection measure which consisted on stabling
of livestock to prevent from the diseases (Calvete et al. 2009). By placing sticky foil traps
inside artificial nest boxes, Votypka et al. (2009) investigated which species enter nest to
blood feed on birds. The main results showed that three ornitophilic species are endophagous
(i.e. Culicoides truncorum Edwards, Culicoides minutissimus (Zetterstedt) and C.
pictipennis).
Circadian rhythm
Circadian cycles of biting midge species are poorly described. It is widely assumed
that Culicoides are mostly crepuscular and may continue to be active throughout the night;
however, many species are also troublesome in the day displaying two biting peaks: one after
sunrise the other close to sunset. These hours of attack can lengthen when low-light, overcast
conditions prevail leading to biting throughout the day. Culicoides paraensis Wirth and
Blanton is described as a common diurnal man-biting midge (Pinheiro et al., 1981), with peak
of activity occurring between 17h to 18h. Overall, only few studies have described rigorously
Culicoides nycthemeral cycles with consecutive 24h collections (Barnard and Jones, 1980;
Lillie et al., 1987). Schmidtmann et al. (1980) confirmed the nocturnal blood-feeding from
bovine hosts by Culicoides venustus Hoffman, widespread in eastern North-America.
Culicoides variipennis exhibits also two main peaks of activity, one around sunset and a
secondary one near dawn (Nelson and Bellamy, 1971; Barnard and Jones, 1980; Linhares and
Anderson, 1990; Mullens, 1995). Mullens (1995) suggested that the elevated parity in females
collected during the middle of the night and after dawn might reflect a crepuscular oviposition
pattern. Viennet et al (2011) showed that in spring, C. brunnicans exhibited a bimodal pattern
of host-seeking activity with peaks just after sunrise and sunset, whereas C. obsoletus was
active before sunset in spring and autumn and after sunset in summer, illustrating influence of
other parameters than light, especially temperature.
Conclusions
Baseline data and detailed knowledge on the biology of biting midge species and especially of
main species for the vectorial system are a prerequisite for implementation of any vector
control strategies. Future research studies should focus on ecological obstacles to the vector
control.
Description and variation in biting midge trophic behaviour: assumption is usely made that
feeding and resting behaviour is stable in time and space for a species. However, long
experiences from malaria mosquito have shown that trophic behaviour may change in
response to domestic interventions. Moreover, variation in feeding behaviour within vector
29
species may have a genetic basis, which raises the possibility that vector control measures
could select for genotypes which are least likely to encounter the intervention. Molecular
assays and large scale studies may help to understand this aspect.
Vector diversity: Taxonomy of the genus Culicoides is complex and in need for revision.
Certain candidate vector species are suspected to hide cryptic diversity and morphological or
molecular forms are known within species that may have distinct ecological and behavioural
niches. In addition to this complexity within primary vectors, low levels of transmission could
be potentially maintained by a myriad of behaviourally and ecologically diverse secondary
vectors. Although these species are routinely ignored because unknown or unsuspected, the
diversity of vector species presents a huge challenge to conventional methods of vector
control.
Behavioural avoidance: The emergence of new vector behavioural phenotypes is a lessrecognized phenomenon than insecticide resistance (which is still unknown for Culicoides),
but it has the potential to similarly diminish the effectiveness of current interventions.
Documented examples of adaptable vector behaviours that could impact interventions are
known for other vector groups and include changes in host-species preferences.
Dispersal and mating behaviour: Knowledge of biting midge dispersal range is essential for
accurate predictions of the optimal spatial implementation of conventional control methods.
Unfortunately, direct observations of the dispersal ability of Culicoides species are limited,
and few generalities can be made for this behaviour.
Priority areas will include understanding aspects of the biting midge life cycle beyond the
blood feeding processes which directly mediate Orbivirus transmission.
30
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151-156.
37
Discussion du chapitre 1
Présents dans le monde entier, sauf dans les régions polaires et sans doute quelques îles
comme Hawaï ou la Nouvelle-Zélande, les Culicoides ont été décrits pour la première fois au
18e siècle. Nuisants redoutables, ils ont été incriminés deux siècles plus tard comme vecteurs
de virus et de filaires. Au 20e siècle, les Culicoides étaient reconnus comme causes majeures
de perturbation des activités touristiques aux Etats-Unis, incommodant par leurs piqûres
douloureuses et les allergies consécutives. C’est en Afrique du Sud, que se situent les
premières études sur le rôle vecteur des Culicoides, notamment avec le lien entre la
transmission du virus de la peste équine et leur activité. Puis un rapprochement a été fait entre
la transmission du virus de la peste équine et celle du virus de la fièvre catarrhale ovine.
Pendant longtemps, l’intérêt pour les espèces de Culicoides provenait surtout des pays touchés
par la FCO, la peste équine et par les conséquences de leur agressivité, à quelques exceptions
près. Par exemple, une équipe de la Faculté de médecine de Strasbourg en France s’est
illustrée par son expertise sur la taxonomie et la description des espèces de Ceratopogonidae,
dont les Culicoides et par la collection associée.
En Europe, la FCO a été considérée pendant longtemps, comme une maladie exotique.
A la fin des années 1990, d’importantes épizooties se sont déclenchées dans l’ensemble du
bassin méditerranéen. Ces zones, où jusque-là la FCO était inconnue, correspondent à des
zones nouvellement colonisées ou déjà peuplées par C. imicola, vecteur avéré du virus, qui a
vu son aire de distribution remonter vers le nord. L’augmentation des températures serait la
principale explication de sa progression vers le nord. A partir de 2006, la FCO prend une
ampleur particulière en Europe, avec son introduction et son intense transmission, avec des
conséquences sanitaires et économiques désastreuses. La transmission de la FCO dans
l’Europe non méditerranéenne n’est pas liée à C. imicola, absent de ces régions. Ainsi, deux
systèmes épidémiologiques se présentent avec la remontée vers le nord d’un vecteur avéré C.
imicola, et au nord de la « ligne-imicola » (là où ce vecteur est absent), la présence d’espèces
autochtones capables de transmettre le virus.
L’apparition de cette maladie dans le bassin méditerranéen, puis en Europe non
méditerranéenne, a mis en évidence la nécessité de décrire les mécanismes de transmission.
La revue réalisée a permis de faire le point sur les acquis, les hypothèses et les lacunes à
combler concernant la biologie et l’écologie des adultes Culicoides, notamment concernant
les gîtes de repos, gîtes d’émergence, le comportement de reproduction, le flux des gènes, la
dispersion, les interactions virus/vecteurs, la diapause. Elle vient en complément de celle de
Kettle (1962) sur la bionomie et le contrôle des genres Culicoides et Leptoconops.
38
Chapitre 2 :
Estimation du contact hôte/vecteur : comparaison des
pièges à appât et du piège à lumière ultraviolette pour
la capture de Culicoides (Diptera : Ceratopogonidae),
vecteurs d’Orbivirus
39
40
Après avoir fait l’état de l’art sur la biologie et l’écologie des espèces adultes de
Culicoides, il apparait clair que nombre de caractéristiques écologiques sont toujours mal
identifiées chez les Culicoides, et en particulier chez les espèces potentiellement impliquées
dans la transmission du virus de la fièvre catarrhale ovine en Europe.
Leur comportement trophique (recherche d’hôte, préférence trophique) est toujours très
peu décrit, notamment à cause de la difficulté d’observer et de collecter ces petits moucherons
directement sur l’hôte. La localisation d’un hôte par l’insecte est le résultat d’une série
d’évènements comportementaux et physiologiques complexes. La mise en œuvre d’études
portant sur le comportement trophique nécessite de ce fait la prise en compte de nombreux
paramètres et une interprétation prudente des résultats, à commencer par l’utilisation d’une
méthode d’échantillonnage adaptée. Toutes les méthodes de capture échantillonnent une
partie de la population des insectes présents, avec plus ou moins de biais. Par exemple, les
pièges à CO2, très utilisés et très efficaces pour estimer l’abondance des populations de
moustiques, ne sont que très peu efficaces pour capturer Ae. albopictus (Gingrich and
Williams, 2005). Aussi, il est facile de mal interpréter un comportement lorsque les méthodes
de piégeage ne sont pas appropriées ou sont mal connues.
La méthode la plus utilisée, car la plus simple, pour échantillonner les populations de
Culicoides est un piège à lumière ultraviolette – l’incrimination d’espèces en tant que vecteur
potentiel s’est d’ailleurs basée principalement sur des données d’abondance recueillies par des
piégeages lumineux. Or, cette méthode permet de capturer uniquement les espèces présentant
une activité crépusculaire ou nocturne, mais surtout s’avère ne pas refléter correctement la
diversité et l’abondance des espèces attaquant les hôtes d’intérêt (Carpenter et al., 2008). En
effet, ce piège semble sous-estimer le taux de piqûre de C. chiopterus sur-estimer celui de
C. obsoletus et sous-estimer celui de C. parroti sur mouton (Carpenter et al., 2008; Gerry et
al., 2009). La mesure, sur le terrain, du taux de contact entre un vecteur et son hôte –
paramètre indispensable pour mesurer le niveau de risque de transmission – nécessite, la
plupart du temps, des captures sur appât, qui reste la méthode la plus directe (Garrett-Jones,
1964; Silver and Service, 2008).
Très peu de collectes ont été réalisées directement sur hôte dans le but d’étudier le
comportement des espèces de Culicoides paléarctiques. Les deux principales méthodes de
piégeage sont le drop trap (Schmidtmann et al., 1980; Carpenter et al., 2008) et l’aspiration
directe (Schmidtmann et al., 1980; Gerry et al., 2009). Les manipulations permanentes des
pièges engendrent un lourd investissement technique. Par ailleurs, les biais de ces différentes
méthodes de capture n’ont pas été évalués. Nous avons donc, dans un premier temps,
développé un nouveau piège à appât, dont le principe est d’ajuster une couverture collante
directement sur l’animal, les insectes se posant sur l’animal restent alors collés à la
couverture. Puis, dans un second temps, nous avons comparé les méthodes classiques de
capture sur appât (aspiration directe et drop trap), avec le piège à couverture collante, et le
piège à lumière ultra-violette. Les collectes ont été réalisées de 1h45 avant à 1h45 après le
coucher du soleil en juin/juillet 2009 dans une ferme expérimentale ovine (INRA, Nouzilly,
41
Ouest de la France). Une procédure en carrés latins (blocs aléatoires de 4 sites × 4 pièges avec
3 répétitions) a été utilisée pour contrôler les effets des sites de capture. Les Culicoides
capturés ont été identifiés et triés morphologiquement par espèce, sexe et stade physiologique
pour les femelles. Les espèces jumelles ont été séparées par identification avec des outils de
biologie moléculaire. Les données d’abondance des espèces dominantes ont été modélisées
par un modèle mixte de Poisson et le taux de parité pour chaque espèce par un modèle mixte
Binomial. La date de collecte ainsi que le site sont les effets aléatoires croisés et le piège
l’effet fixe. Pour les espèces moins abondantes, l’abondance a été analysée en utilisant le
modèle de Hurdle afin de prendre en compte l’excès de zéro.
Ces travaux ont fait l’objet d’un article publié dans le journal Parasites & Vectors, qui
est reproduit dans la suite du manuscrit.
42
Chapitre 2
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Estimation du contact hôte/vecteur
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Chapitre 2
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Chapitre 2
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Chapitre 2
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Chapitre 2
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Chapitre 2
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54
Cette étude s’est intéressée à comparer la diversité et l’abondance des espèces de
Culicoides venues attaquer des moutons à l’aide de plusieurs pièges à appât et un piège à
lumière ultraviolette. La principale difficulté conceptuelle pour juger des biais des différentes
méthodes de capture est l’absence d’une méthode de référence, toutes ayant un dispositif
expérimental pouvant attirer ou repousser les Culicoides : grande tente moustiquaire pour le
drop trap ou présence humaine pour l’aspiration directe et par définition la lumière
ultraviolette pour le piège lumineux. Certaines données objectives (capture de mâles ou de
femelles gorgées) peuvent être utilisées pour évaluer les biais de chacune des méthodes de
capture, qui ont été surtout comparées relativement les unes par rapport aux autres.
La couverture collante prédit correctement le taux de piqûre des espèces abondantes.
Cependant nous avons des difficultés à expliquer l’absence de C. obsoletus et le seul
C. dewulfi trouvé sur les couvertures collantes au cours des captures. Ces espèces ont pu
attaquer des zones mal recouvertes par la couverture (comme la tête). Une amélioration du
patron de la couverture pourrait pallier ce problème et améliorer les performances de ce piège.
Par ailleurs, la principale limite de ce piège est l’utilisation de vaseline comme substance
collante, qui est particulièrement peu pratique à manipuler. Avec une autre substance collante,
plus facile à utiliser et à diluer, cette méthode aurait l’avantage de permettre des captures
longues, sans intervention humaine avec comme seul dispositif artificiel la couverture et la
substance collante.
L’aspiration directe semble capturer uniquement les femelles en recherche d’hôte et
peut être utilisée pour étudier le taux de piqûre. Cependant, l’utilisation de ce piège nécessite
une manipulation humaine qui certainement doit perturber l’activité des Culicoides. Les
sessions d’aspiration auraient pu être plus espacées (toutes les 20 min) afin de diminuer l’effet
de la présence humaine et de suivre les périodes d’aspiration du drop trap. Mais nous avons
préféré maximiser le nombre d’aspirations afin d’avoir une représentation plus complète du
taux de piqûre au cours du temps.
C’est le drop trap qui capture les abondances les plus élevées, ce qui peut laisser
penser à une surestimation du taux de piqûre. Par exemple, ce piège capture également des
mâles attirés soit par la structure du piège ou soit par la présence de femelles. Le drop trap a
pour principal avantage de permettre d’estimer un taux de gorgement, alors que lors de
l’aspiration directe ou avec le piège collant, les Culicoides sont vraisemblablement aspirés ou
collés avant d’avoir entrepris un repas de sang.
Le piège à lumière ultra-violette est la méthode la plus facile d’utilisation. Elle permet
de maximiser l’abondance et la diversité des Culicoides capturés. Néanmoins, ce piège n’est
pas adapté pour estimer directement le taux de piqûre, la lumière ultra-violette n’attirant sans
doute pas uniquement les femelles en recherche d’hôte et/ou les attirant différemment d’un
hôte à l’autre.
Ces comparaisons ont été réalisées à l’aide d’un protocole en carré latin, notamment
pour prendre en compte l’effet site, qui s’est révélé important. En effet, en une seule nuit le
drop trap situé sur le site le plus proche du troupeau de béliers (site 2) a capturé 30 % du
nombre total de Culicoides. Dans ce cas le drop trap pourrait avoir, notamment par sa
structure, orienté et attiré les Culicoides venus attaquer le troupeau de bélier. De plus,
55
l’abondance de cette capture est probablement liée aussi aux conditions climatiques, qui ont
dues être plus appropriées que les autres jours. En prenant en compte les conditions
environnementales (température, humidité, vent et luminosité), il serait intéressant de répéter
cette expérience dans d’autres écosystèmes, sur d’autres hôtes (comme les chevaux dans le
cadre de la peste équine) et pendant d’autres périodes de l’année pour mieux comprendre et
affiner les relations entre taux de piqûre et piégeage lumineux, qui reste aujourd’hui le mode
de capture le plus pratique et donc le plus utilisé.
56
Chapitre 3 :
Préférences trophiques des espèces paléarctiques de
Culicoides, potentiellement impliquées dans la
transmission du virus de la fièvre catarrhale ovine en
Europe
57
58
Dans leur ensemble, les insectes hématophages montrent une formidable diversité
dans les classes et espèces d’hôtes qu’ils sélectionnent pour se gorger, à savoir hommes,
mammifères domestiques et sauvages, oiseaux, reptiles, amphibiens voire même d’autres
insectes, les Culicoides ne faisant pas exception à la règle (Laird, 1946; Mellor and McCaig,
1974; Blackwell et al., 1994; Carpenter et al., 2008; Gerry et al., 2009; Votypka et al., 2009;
Linden et al., 2010; Mullens et al., 2010). A l’échelle de l’espèce, un insecte hématophage
peut sélectionner une classe de vertébrés, et à l’intérieur de la classe, une espèce d’hôte
donnée. Cette tendance à sélectionner un type d’hôte est appelée préférence trophique
(Clements, 1999). La sélection d’hôte est sous influence d’un compromis entre le bénéfice
obtenu en se nourrissant sur l’hôte le plus approprié et le risque de mourir lors de l’attente de
cet hôte (Lyimo and Ferguson, 2009). Cette alternative peut aboutir à la sélection d’un
comportement trophique spécialisé (choix pour un hôte donné ou même pour un individu
donné) ou opportuniste (large panel d’hôtes). D’un point de vue théorique, un comportement
opportuniste doit être sélectionné dans un environnement où les probabilités de rencontre avec
les hôtes sont faibles. Ainsi l’avantage de se nourrir sur l’hôte le plus approprié ne compense
plus le risque pris à attendre cet hôte : le premier hôte acceptable rencontré devient une cible.
A l’inverse, un comportement spécialisé doit être sélectionné dans un environnement
présentant une large possibilité de rencontre avec l’hôte le plus approprié. Ces choix
théoriques d’hôtes dépendent de nombreux facteurs, vraisemblablement en interaction et
variables dans le temps et l’espace qui en compliquent leur compréhension. Il peut exister en
effet des facteurs spécifiques à la morphologie et physiologie de l’hôte (taille, odeur, couleur),
aux comportements (mouvements de défense), à l’environnement (écosystème, disponibilité
et densité de population d’hôte) (Kettle, 1962 ; Kay et al., 1979 ; Blackwell et al., 1994;
Kelly, 2001). La taille du repas de sang dépend également de plusieurs facteurs (température
ambiante, stade du cycle trophogonique, âge de l’insecte, source et historique des repas de
sang). La prise d’un large repas de sang (souvent deux à trois fois le poids de l’insecte adulte)
permet différents bénéfices : i) minimiser le risque de se faire écraser lors de mouvements de
défense en réduisant le nombre de visites, ii) optimiser la rencontre avec l’hôte, lorsque il se
fait rare, iii) éviter la perte d’énergie lors de ses diverses attaques et la concentrer sur une
autre fonction (reproduction, digestion, maturation des œufs). Les insectes hématophages
peuvent sélectionner leurs hôtes en fonction de la qualité de leur sang. Un changement d’hôte
peut faire varier le taux de développement, la quantité du repas de sang, l’efficacité de la
digestion, la longévité et la fécondité (Nelson et al., 1975). Ainsi, chez les insectes présentant
une « concordance gonotrophique », c'est-à-dire qui développent et pondent leurs œufs à
chaque fois qu’un repas de sang a été pris (Swellengrebel, 1929), le nombre d’œufs serait
directement proportionnel au volume du repas de sang (Goodschild, 1955).
Le choix d’hôte par les insectes hématophages est un facteur déterminant l’intensité de
la transmission des pathogènes associés (Gubbins et al., 2008). Les arbovirus profitent de la
relation étroite qui s’instaure entre l’insecte hématophage et son hôte pour être transmis, de
l’hôte infecté à l’insecte sain et de l’insecte infectant à l’hôte sain, à la faveur d’un repas
sanguin. Définir la communauté d’hôtes des insectes hématophages est essentiel pour
59
identifier les espèces d’insectes et de vertébrés impliquées dans la transmission de maladies
vectorielles, avec comme conséquences la possibilité d’influer sur l’intensité de la
transmission en jouant sur l’abondance et la localisation des hôtes (par exemple, éloigner les
porcs des habitations, hôtes amplificateurs du virus de l’encéphalite japonaise, transmis par
les moustiques dont Culex tritaeniorhynchus Giles).
Les préférences trophiques des insectes hématophages peuvent être quantifiées soit par
une approche directe comparant les abondances récoltées dans différents pièges à appât (Hair
and Turner, 1968 ; Sullivan et al., 1971), soit par une approche indirecte identifiant l’origine
des repas de sang de femelles capturées gorgées (Murray, 1970 ; Kay et al., 2007). La
méthode de capture sur appât permet, par maîtrise du dispositif expérimental, de mesurer
l’attractivité de l’hôte, en exposant un nombre connu d’hôtes et en quantifiant la part relative
de chaque espèce d’insecte sur chacun des hôtes exposés (Balenghien et al., 2011). Après
correction des données brutes par un facteur prenant en compte les différences de taille des
hôtes, on peut obtenir pour chaque espèce d’insecte, les probabilités de se gorger sur telle ou
telle espèce d’hôte, probabilités qui sont conditionnelles à la présence de ces hôtes
(Balenghien et al., 2011). En revanche, cette approche ne peut pas être employée sur une large
échelle, à cause de la lourdeur logistique de ce type de capture. Au contraire, l’approche
indirecte par identification de l’origine du repas de sang est peu limitée par le nombre de sites
étudiés, et peut donc être entreprise à grande échelle, dans la mesure où l’on dispose d’un
moyen efficace pour échantillonner correctement les populations de femelles gorgées.
Cependant, en l’absence d’un recensement précis des hôtes présents sur les sites d’étude, cette
méthode indirecte ne donne qu’une information qualitative, c'est-à-dire la liste des hôtes sur
lesquels telle espèce est capable de se gorger en conditions naturelles. Pour quantifier les
préférences trophiques, il faut nécessairement recenser les hôtes présents. De plus, les biais
d’échantillonnage de la population des femelles gorgées sont difficilement analysables et la
principale difficulté théorique est qu’on ne peut pas savoir si les femelles identifiées comme
s’étant gorgées sur une espèce d’hôte se sont chacune gorgée sur des individus différents ou
sur le même individu (Balenghien et al., 2011).
La plupart des études comparant l’attractivité de différents hôtes pour les Culicoides à
l’aide de pièges à appât ont été réalisées aux Etats-Unis, soit sur des espèces nuisibles soit sur
des vecteurs avérés, aucune ne portait sur des espèces paléarctiques (Hair and Turner, 1968 ;
Humphreys and Turner, 1973 ; Tanner and Turner, 1974 ; Schmidtmann et al., 1980;
Schmidtmann et al., 1980). De récentes études ont permis d’identifier l’origine du repas de
sang soit en utilisant la méthode PCR (Bartsch et al., 2009), soit en utilisant le séquençage et
en comparant les données par homologie de séquences sous GenBank (en Allemagne, (Lassen
et al., 2011), en France, (Ninio et al., 2010)). Cependant, ces études sont imprécises (nombre
d’hôte limité ou identification au groupe et non à l’espèce (Bartsch et al., 2009), prennent du
temps et sont limitées par le nombre de séquences présentées sous GenBank (Ninio et al.,
2010; Lassen et al., 2011 ). Nous avons donc quantifié les préférences trophiques des espèces
paléarctiques de Culicoides en réalisant deux études.
D’une part, nous avons mené des captures sur poney, génisse, chèvre, mouton et poules
équipés avec un dispositif collant pour comparer l’attractivité de ces différents hôtes pour les
espèces de Culicoides paléarctiques. Nous avons utilisé un protocole en carré latin (5 hôtes x
60
5 sites avec 3 réplicats) pour prendre en compte l’effet potentiel du site de capture.
L’abondance (brute, puis corrigée par des facteurs liés à la taille des hôtes) a été modélisée en
utilisant un modèle linéaire généralisé mixte avec l’hôte comme effet fixe et la session de
capture et le site comme effets aléatoires. Cette analyse nous a permis de quantifier les
préférences trophiques des espèces principales et d’en inférer leur capacité à transmettre un
pathogène entre individus d’une même espèce ou entre individus de deux espèces différentes
dans différents contexte d’abondance d’hôtes. De plus, nous avons pu observer les zones
d’attaques des principales espèces de Culicoides capturées et comparer les taux de piqure
mesurés aux abondances estimées grâce à un piège lumineux. Les résultats de cette étude font
l’objet d’une publication qui sera très prochainement soumise dans le journal Medical and
Veterinary Entomology.
D’autre part, nous avons identifié l’origine du repas de sang de femelles capturées dans
cinq élevages multi-hôtes (répartis entre les Pyrénées-Atlantiques et l’Ile-et-Vilaine) pour
valider une méthode d’amplification multiplexée espèce-spécifique. A une échelle nationale,
nous avons ainsi identifié des espèces au comportement opportuniste, se gorgeant sur les
hôtes majoritaires de l’exploitation et une espèce au comportement spécialisé, puisque gorgée
sur des hôtes qui n’étaient pas présents sur le lieu de capture. Ces travaux ont fait l’objet
d’une publication dans Infection, Genetics and Evolution, dont je suis co-auteur.
42
62
Chapitre 3-A
Host preferences of Palaearctic Culicoides biting midges (Diptera:
Ceratopogonidae): implications for Orbivirus transmission
ELVINA VIENNET1, CLAIRE GARROS1, LAETITIA GARDÈS1, IGNACE
RAKOTOARIVONY1, XAVIER ALLÈNE1, RENAUD LANCELOT1, DIDIER CROCHET2,
CATHERINE MOULIA3, THIERRY BALDET1, THOMAS BALENGHIEN1
1
CIRAD, UMR Contrôle des maladies, F-34398 Montpellier, France
2
INRA, UE1277 PFIE, Plate Forme d’Infectiologie Expérimentale, F-37380 Nouzilly, France
3
Université de Montpellier 2, ISEM équipe « Interactions », F-34000 Montpellier, France
Corresponding authors, e-mail: [email protected] or [email protected]
63
Préférences trophiques des Culicoides – méthode directe
ABSTRACT
The biology of free-living hematophagous insects is punctuated by periodic blood
feeding times and its corollary: finding a host. Feeding success depends on host availability,
host defense reactions and host preferences. Host choice is a critical determinant of the
transmission intensity of pathogens.
Our aim was to describe host preferences of Palaearctic Culicoides species, major
biting pest and arbovirus vectors, using animal-baited traps on five different host species:
poultry, horse, as African horse sickness virus host, and cattle, sheep and goat, as bluetongue
virus hosts. Collections were carried out from 3 hours before sunset till 3 hours after sunrise
in July/August 2009 in western France with 3 replicates of a 5 sites × 5 hosts randomized
Latin square.
A total of 660 Culicoides belonging to 12 species, mainly Culicoides scoticus Downes
and Kettle, Culicoides dewulfi Goetghebuer and Culicoides obsoletus (Meigen), was collected
on animal baits. Abundance was maximal for the horse (95% of the total caught with 10
species). The horse, the largest bait, was the most attractive host, even when abundance data
were corrected by weight, body surface or Kleiber’s scaling factor. Culicoides obsoletus was
the only dominant species attracted by birds. Both C. scoticus and C. dewulfi were collected
mainly on upper parts of the horse.
The quantification of host preferences allowed us to discuss implications for
transmission of Culicoides-borne pathogens such as bluetongue virus. Finally, operating of
UV-light/suction trap during host-baited collections allowed us to correlate C. scoticus and
C. obsoletus biting rates and UV-light/suction trap catches. The establishment of this relation
generates conversion factors to apply on light trap catches commonly used across surveillance
networks to assess Culicoides population abundance on a larger scale.
KEY WORDS: Culicoides, host preference, bluetongue, African horse sickness, Western
Europe
64
Chapitre 3-A
Introduction
Insects exhibit diverse resource-exploitation strategies including predation, herbivory,
parasitism or hematophagy. This latter originated independently at different geological times
in different taxa including both parasitic insects and free living forms (Balashov, 1999).
Acquiring hematophagy means that hematophagous insects become potential biting pests to
vertebrates, and potential vectors of pathogens among vertebrate populations. The evolution
of hematophagy has resulted in 3 main ecological trends: ectoparasitism, parasitism in nests
and shelters, and repeated blood meals on hosts outside shelters (Balashov, 1999). The
biology of the third hematophagous insect group (most of dipterans) is punctuated by periodic
blood meals and its corollary: finding a host. Feeding success on a given host depends on host
availability, host defense reactions and host preferences. Host preference can be defined as the
tendency for the insect to select a class of vertebrates or a given host species (Balenghien et
al., 2011). Host choice is the result of a trade-off between the advantage of waiting for an
optimal host and the risk of death before feeding, which therefore selects opportunistic or
specialized feeding behaviors (Lyimo and Ferguson, 2009). Moreover, host choice is a crucial
determinant of the transmission intensity of pathogens. Specialist behavior may be associated
with an optimal transmission in one-host species populations whereas opportunist behavior
may allow transmission between different host species (“bridge vectors”) or lead to a dilution
effect (Schmidt and Ostfeld, 2001; Balenghien et al., 2011).
Biting midges (Ceratopogonidae) are probably the most ancient blood-sucking dipterian
hematophagous group, as earliest fossils are dated by Lower Cretaceous (Balashov, 1999).
Nowadays, Culicoides are an important biting nuisance to humans and animals, causing acute
allergic dermatitis in horses, and also transmitting parasites and viruses to a large host range
including humans, domestic and wild mammals or birds (Mellor et al., 2000). Culicoides are
chiefly known as transmitters of 2 viruses of animals: the African horse sickness and the
bluetongue viruses (AHSV and BTV) and more generally of Orbivirus, which cause
devastating diseases of international significance that they have to be notified to OIE (Mellor
et al., 2000). AHSV can affect different equid species and, mortality rates frequently exceed
90% in horses (Mellor et al., 2000). BTV is thought to infect all known species of ruminant,
but severe disease usually occurs only in certain breeds of sheep and some species of deer
(Mellor et al., 2000). Culicoides imicola Kieffer is considered as the major field AHSV and
BTV vector in Africa, in the Mediterranean basin and in the Middle East (Mellor et al., 2000),
illustrating its ability to feed on a large range of hosts. From 2006 to 2008, the emergence and
intense transmission of serotype 8 of bluetongue virus in northern Europe had disastrous
sanitary and economical consequences (Wilson and Mellor, 2009; Velthuis et al., 2010) and
highlighted the importance to quantify the host preferences of Culicoides, as key parameter in
BTV transmission (Gubbins et al., 2008).
Host-feeding pattern of Culicoides were investigated mostly with blood-meal
identification using serological or molecular assays (Murray, 1970; Blackwell et al., 1994;
Garros et al., 2011), mainly because of the difficulty to collect Culicoides directly on animals
due to their small size. Some Culicoides species are attracted and feed on both mammal and
avian hosts (Hair and Turner, 1968; Tanner and Turner, 1974; Votypka et al., 2009), e.g.
42
Culicoides obsoletus (Meigen), Culicoides scoticus Downes and Kettle or Culicoides
chiopterus (Meigen) found engorged in both mammals and birds (Lassen et al., 2011). Some
other Culicoides species may be classified mainly as primary bird or mammal biters (Nevill
and Anderson, 1972; Walker and Boreham, 1976). Inside a given vertebrate class, most
Culicoides species seem to be able to engorge on different host species, as for instance, at
least cattle, sheep and horse for C. imicola (Braverman et al., 1971; Nevill and Anderson,
1972), at least cattle and leporids for individuals from the Variipennis Complex (Tempelis
and Nelson, 1971), at least cattle, sheep, deer and humans for Culicoides impunctatus
Goetghebuer (Blackwell et al., 1994), and at least cattle, sheep, horse and rabbits for C.
obsoletus and C. scoticus (Ninio et al., 2010). To the contrary, inside a class of vertebrates,
some Culicoides species may have a specialized feeding behaviour, as C. chiopterus which
was found engorged on cattle even when trapped in sheep farms (Garros et al., 2011).
However, quantification of host preferences was usually not possible from these studies,
mainly because of the absence of enumeration of available hosts (Balenghien et al., 2011).
Our aim was to quantify host preferences of Palaearctic Culicoides using host-baited trap
collections. Although regularly used for Culicoides studies in North-America (Hair and
Turner, 1968; Humphreys and Turner, 1973; Tanner and Turner, 1974; Schmidtmann et al.,
1980; Raich et al., 1997), this methodology has never been used for Palaearctic Culicoides
species, though it is easier and rigorous to analyse data from host-baited trap collections than
from blood-meal identifications: less hypotheses on blood-meal distribution in host
populations are necessary for the first method (Balenghien et al., 2011). Finally, we discussed
implications of host preferences for Orbivirus transmission in livestock.
Materials and Methods
Study sites and host-baited collections. Host preference studies were conducted from 15th
July to 6th August 2009 on an experimental farm (Institut National de la Recherche
Agronomique, INRA, UE1277 PFIE) breeding sheep and dairy cattle at Nouzilly
(47°33’01’’N; 00°47’55’’E) in western France. Five sites were delimited in a field close to
grazing cattle (10 to 20 Holstein-Friesians heifers) and sheep (10 ewes and 20 rams) herds and
close to dairy/sheep holdings (< 100 m) (Fig. 1). Each site was distant ca. 50 m from each
other to avoid any interference on their respective catches. During collections, meteorological
conditions (air temperature, relative humidity, rainfall, wind speed and direction) were
recorded every 15 minutes using a weather station Vantage Pro 2 (Davis Instruments France,
www.davis-meteo.com) situated close to the traps (Fig. 1). Experiments were cancelled
during adverse weather forecast (heavy rain, thunderstorm). Monthly meteorological data
recorded by national weather station (Météo France) at Parcay-Meslay (47°26’36’’N;
00°43’36’’E; 13 km from the study site) in 2009 were used to illustrate meteorological
conditions the year of collections.
66
Chapitre 3-A
Figure 1: Sketch map of the study site at Nouzilly (western France) with the five hosts wearing sticky
covers for comparison during 15 days following a 5 x 5 Latin square design.
To separate ornithophilic from mammophilic species, we used host-baited traps with
chicken and mammals, including horse, as potential AHSV host, and cattle, sheep and goat, as
potential BTV hosts. A 10 years old, 275 kg live weight Welsh pony mare (Equus caballus), a
2 years old, 50 kg South-prealpes ewe (Ovis aries), a 5 years old, 45 kg Alpine goat (Capra
aegagrus), a 2 months, 77 kg Prim’holstein heifer (Bos taurus) and 5 White Leghorn hens
(Gallus gallus) of 2 kg each were used as baits. For each collection day, non-bird hosts were
equipped with a sticky cover following procedures described by Viennet et al. (2011). The 5
hens were kept in 1 x 1 x 1 m cage, equipped with a sticky cover using a pretroleum jelly
(figure 1). Collections were carried out using a 5 x 5 Latin square design. Each host was
randomly assigned to a site for the first collection session. The next four sessions, random
assignation was repeated with the condition that each host should be attributed to all five sites
in the full experimental design. Three replicates of this design were done. Each session started
3 h before the sunset and stopped 3 h after the sunrise. By the end of each collection session,
covers were cut with respect to the corresponding body part: head, back, belly and legs.
Thereafter, all trapped insects and other hematophagous insects were removed using a
paintbrush dipped in clean engine oil to dilute petroleum jelly. Each protocol step was
conducted with respect to the standard ethical rules: staff was qualified for animal
experiments, premises were licensed for animal experiments, protocol procedure did not cause
any pain to animal baits, i.e. no injection, no biological sample, no surgery, and these animal
baits were not more exposed to insect bites than other animals present in the farm.
42
In parallel, a UV-light/suction trap (manufactured by the Onderstepoort veterinary
institute in South Africa) was operated during each collection session to have an overview of
the Culicoides diversity. It was running with an 8W UV light tube and on a 12-volt car battery
and placed at 1.5 m height from the ground on a tree invisible from the animal-bait locations
(figure 1). The insects collected with the UV-light/suction trap were stored in 70% ethanol.
Culicoides identification. All Culicoides were morphologically identified under a
stereomicroscope (Stemi 2000C ZEISS) to the species level based on identification key for
the Palaearctic region (Delécolle, 1985) and sorted by sex. Females were classified as
nulliparous, parous (Dyce, 1969), blood-fed and gravid. When morphological identification
with stereomicroscope was not possible, individuals were dissected and identified using
microscopic slide preparations (ZEISS imager A.1 fluorescence microscope).
Individuals identified as belonging to the Obsoletus Group (C. obsoletus, C. scoticus,
C. chiopterus, and Culicoides dewulfi Goetghebuer) were molecularly confirmed or identified
following the assay developed by Nolan et al. (2007) including primers for these four species.
Genomic DNA was extracted from individual midges using Chelex resin (50 μL/Culicoides)
(Solano et al., 1997). Primers and PCR amplifications conditions were as described by Nolan
et al. (2007). Before DNA extraction with Chelex resin, Culicoides collected in sticky cover
traps were individually cleaned on absorbent paper, followed by soapy water, rinsed two
times in purified water, and quick-drying on paper (Viennet et al., 2011).
Moreover, we molecularly identified the origin of blood-meals of all engorged females
collected in animal or UV-light traps. Primers and PCR conditions were as described by
Garros et al. (2011).
Statistical analysis. We aimed to compare host attractiveness for the most abundant
Culicoides species. The attractiveness is known to depend on host size (Dow et al., 1957;
Edman et al., 1972; Clements, 1999). Thus, we first compared host preference using raw
abundance data. Then, we corrected data by host weight, host body surface area and host
Kleiber’s allometric scaling (i.e. the weight to the power 3/4) to obtain abundances on
theoretical hosts of same live weight, same body surface area and same basal metabolism.
Body surfaces were calculated using Meeh formula for the hen (Dukes, 1937), Stahl formula
for pony and goat (Stahl, 1967; USEPA, 1993), Bennett formula for sheep (Bennett, 1973)
and Brody formula for heifer (Berman, 2003). Abundance data were modeled using a
generalized linear mixed model with host as the fixed effect, and sites and collection sessions
as the crossed random effects. Wald tests were used to compare host effects two by two after
Holm’s adjustment of p-values (α = 0.05), the null hypothesis being the equality of these
effects.
68
Chapitre 3-A
The abundances of collected Culicoides by body part (head, back, belly and legs) were
compared with the chi-squared test (α = 0.05) to highlight differences in landing sites of
Culicoides species. The null hypothesis was an homogeneous distribution according to the
body part.
All data analyses were performed using the R statistical packages (R Development Core
Team).
Implications for Orbivirus transmission. Host-baited trap collections allowed us to
compute the conditional host preference for dominant Culicoides species, i.e. the probability
for a midge to choose a given host among the five available hosts (Balenghien et al., 2011).
Then, we used these conditional host preferences to predict the probability for a Culicoides to
feed twice on the same host species or to feed successively on two different host species in
various contexts of host abundance, assuming independence in the choice of hosts for
consecutive blood meals, i.e., no learning capacity for the choice of hosts. These probabilities
may be regarded as a measure of Culicoides species ability to transmit pathogens among onehost species population or from one host species to another one (Balenghien et al., 2011).
This has important implications in Orbivirus transmission, as cattle have been suggested as
decoy hosts (Du Toit, 1962; Nevill, 1978).
Finally, we compared biting rates assessed by the host-baited trap with the abundance
in UV-light collections by calculating Pearson correlation coefficients. Indeed, UV-light traps
were widely used worldwide to estimate distribution and seasonal abundance of Culicoides.
Because UV-light traps have been shown repeatedly to not correctly measure Culicoides
biting rates (Carpenter et al., 2008; Gerry et al., 2009; Viennet et al., 2011), modeling the
relation between UV-light collections and biting rates would greatly improve the assessment
of Orbivirus transmission risk at a wide scale.
Results
Climatic data. Study site climate was oceanic, with mean annual temperature of 11.4°C,
thermal amplitude of 14.9°C and annual rainfall of 694 mm (Météo France data, 1971-2000).
In 2009, annual rainfall (603 mm) was lower than for the 1971-2000 period, with a slight
deficit in spring (195 mm between February and May 2009 versus 234 mm for the reference
period) and in August (3 mm in 2009 versus 40 mm) and the following months (Fig. 2A).
Temperatures were close to normal values in 2009.
42
Figure 2: Climatic conditions in the study site. (A) Ombrothermic diagram for comparison between
2009 and the 1971-2000 period (Météo France data) and (B) wind rose recorded during collection
sessions.
During collections, wind was mainly oriented from northwest to southeast (Fig. 2B).
Only one collection session was windy (mean wind speed of 3.1 m/s), whereas others were
quiet (mean wind speed < 1.8 m/s). During collections, only 2 rainfall events of 0.2 mm were
recorded and temperatures were comprised between 9.3 and 30.1°C (mean daily minimum
and maximum temperatures of 12.3 and 24.6 °C). Relative humidity ranged between 29 and
99% (mean daily minimum and maximum relative humidity of 47.8 and 93.9%).
Collection data. During the 15 collection sessions, a total of 660 Culicoides (659 females
and 1 male) belonging to 12 species was collected on hosts (Table 1). Ten damaged
specimens could not be identified and were recorded as Culicoides sp. Most of the Culicoides
(611 females) belonged to the Obsoletus Group (i.e. C. obsoletus, C. scoticus, C. dewulfi and
C. chiopterus). Molecular identification assay was used to confirm morphological
identification and to separate females from the Obsoletus Complex. Our sample (514
Obsoletus Group individuals) was made of by 273 C. scoticus, 181 C. dewulfi, 59
C. obsoletus and 1 C. chiopterus females. Twenty were not identified and recorded as
Obsoletus Group.
In host-baited collections, 625 females belonging to 10 different species (94.8% of
total catches) were collected on the mare, 14 belonging to 4 species (2.1%) on the heifer, 8
belonging to 3 species (1.2%) on the goat, 7 belonging to 4 species (1.1%) on the hen and 5
belonging to 4 species (0.8%) on the ewe (Table 1). The log abundance of the total number of
females in each species was linearly correlated with the species rank (R² = 0.89; data not
shown), C. scoticus being the dominant species. A total of 4 engorged females were collected
70
Chapitre 3-A
on the sticky covers (2 C. obsoletus and 1 C. dewulfi on the mare and 1 C. dewulfi on the
ewe). One sample (1 C. obsoletus) failed to give a detectable PCR amplicon. All 3 others had
fed on sheep. Other hematophagous insects were collected on hosts: Stomoxys calcitrans (L.)
stable flies and Culex mosquitoes, probably Culex pipiens L.– individuals were too damaged
to be confidently identified. Mosquitoes were collected mostly on hen-baited trap (73.7%) and
stable flies were trapped mainly on mare- (42.1%), and on hen- (36.8%) and heifer-baited trap
(21.1%) (Table 1).
A total of 1,227 Culicoides (1,151 females and 76 males) belonging to 22 species were
collected in the UV-light/suction trap (Table 1). A total of 260 females identified as belonging
to the Obsoletus Group (out of 1,042 captured females) were then molecularly identified: 196
C. obsoletus, 30 C. scoticus, 27 C. dewulfi and 27 C. chiopterus females. Only 2 individuals
were not identified and recorded as Obsoletus Group. As for host-baited collections,
individuals of the Obsoletus Group were largely dominant, but the species ranks were
different, with C. obsoletus being the dominant species, and C. scoticus the third species. The
log abundance of the total number of females for each species was linearly correlated with the
species rank (R² = 0.82; data not shown), but with a clear over-representation of C. obsoletus.
Some low abundant species were collected in the UV-light/suction trap, but not on the hostbaited traps, and conversely (Table 1). A total of 6 engorged females (3 C. obsoletus, 1
Culicoides clastrieri Callot, Kremer and Deduit and 2 Culicoides punctatus Latreille) were
collected in the UV-light/suction trap. Two C. obsoletus had fed on sheep and one
C. punctatus on cattle. The 2 other DNA samples failed to give a detectable PCR product.
42
Table 1: Numbers of Culicoides collected over the 15 sessions on 5 different hosts using a sticky
cover trap and the UV-light/suction trap
Species
C. scoticus
C. dewulfi
C. obsoletus
C. punctatus
C. chiopterus
C. subfasciipennis
C. fascipennis
C. minutissimus
C. impunctatus
C. lupicaris
C. simulator
C. vexans
C. festivipennis
C. pulicaris
C. brunnicans
C. circumscriptus
C. clastrieri
C. achrayi
C. picturatus
C. duddingstoni
C. newsteadi
C. alazanicus
C. cataneii
C. gejgelensis
C. kibunensis
C. salinarius
Obsoletus Group
Culicoides sp.
TOTAL Culicoides
Culex sp.
Stomoxys calcitrans
Host-baited traps
All hosts
Mare2
1
Rank F
M
F P
1
303
297 63
2
210
2003 49
3
71
1
643 53
4
15
15 33
5
5
4 25
5
5
5 60
7
2
2
7
2
9
1
1
9
1
1
9
1
1
9
1
32
30 37
10
5 40
659 1
625
24
3
19
8
UV-light/suction trap
Ewe
F
1
33
1
Heifer
F
1
6
1
Goat
F
4
1
2
Hen
F
M
3
1
1
1
1
1
5
1
1
1
4
14
5
4
1
8
1
1
6
14
7
1
Rank
3
2
1
4
5
17
14
10
6
7
8
9
10
12
12
14
14
17
17
17
17
17
-
F
108
131
7653
603
36
P
19
37
41
40
86
1
2
3
163
7
6
5
62
14
83
60
2
2
2
2
72
1
12
4
1
1
1
1
1
1
1
2
1151
F: females; (P): parity rate as No. parous/No. females (given if F > 5); M: males. For the sake of clarity, 0 were not quoted.
Mare (Equus caballus); Ewe (Ovis aries); Heifer (Bos taurus); Goat (Capra aegagrus); Hen (Gallus gallus).
3
1 to 3 of these females were engorged.
2
M
1
11
21
13
7
76
Chapitre 3-A
Host preferences. Culicoides scoticus, C. dewulfi and C. obsoletus were mainly attracted
by the mare (Fig. 3) and secondly by the other mammal hosts. Only C. obsoletus seemed to be
attracted by birds (Fig. 3).
Figure 3: Number of Culicoides scoticus, C. dewulfi and C. obsoletus females collected by host and
by collection session. Data are presented as raw abundance and then corrected by weight, by body
surface area and by Kleiber’s scaling factor.
All generalized linear mixed-effects models predicted correctly abundance data, with
random effects (sessions and sites) showing important variations of Culicoides daily
abundance and a very heterogeneous repartition of populations in space (data not shown).
Whatever the model or the correction of data, the predicted abundance was largely higher on
mare than on other host for the 3 Culicoides species. Among the other mammal hosts, C.
scoticus seemed to be more attracted by the goat than by the heifer or the ewe (significance of
tests depended on the correction of data), C. dewulfi seemed to be more attracted by the heifer
than by the goat and the ewe and C. obsoletus seemed to be more attracted by the heifer and
the goat than by the ewe. Finally, the predicted abundance on hens was null at the exception
of C. obsoletus, the latter with a higher attraction for hens than for heifer, goat or ewe.
42
Table 2. Observed and predicted numbers of Culicoides per host and per collection session
BSA3
Mean
N
Predicted abundance4
Raw
After correction by
data
BSA
Wt
KSF5
4.2
1.7
1.3
1.3
0.8
19.80
0.07
0.27
0.07
0.00
297
1
4
1
0
5.55a
0.02bc
0.10b
0.02c
0.00bc
5.32a
0.04b
0.25b
0.06c
0.00bc
4.89a
0.04b
0.36c
0.08b
0.00bc
5.22a
0.03b
0.27b
0.06c
0.00bc
0.91 [0.06; 1.00]
0.00 [0.00;0.02]
0.08 [0.00;0.94]
0.01 [0.00;0.13]
0.00 [0.00;0.00]
4.2
1.7
1.3
1.3
0.8
13.33
0.40
0.07
0.20
0.00
200
6
1
3
0
8.30a
0.26b
0.04bc
0.13c
0.00bc
8.19a
0.62b
0.13c
0.39c
0.00bc
8.05a
0.81b
0.23c
0.62bc
0.00bc
8.16a
0.62b
0.16c
0.42c
0.00bc
0.85 [0.46; 1.00]
0.08 [0.00; 0.27]
0.01 [0.00; 0.18]
0.06 [0.00; 0.54]
0.00 [0.00; 0.00]
4.2
1.7
1.3
1.3
0.8
4.27
0.07
0.13
0.07
0.20
64
1
2
1
3
2.07a
0.04bcd
0.07bd
0.03c
0.10d
1.86a
0.08b
0.18bd
0.08c
0.52d
1.16a
0.06b
0.17b
0.07c
1.60d
1.72a
0.07b
0.19b
0.08c
0.72d
0.65 [0.20; 1.00]
0.04 [0.00; 0.46]
0.07 [0.00; 0.80]
0.06 [0.00; 0.64]
0.17 [0.00; 0.73]
Hosts
Species
Wt2
C. scoticus
Mare
275
Heifer
77
Goat
50
Ewe
45
Hen1
2
C. dewulfi
Mare
275
Heifer
77
Goat
50
Ewe
45
1
Hen
2
C. obsoletus
Mare
275
Heifer
77
Goat
50
Ewe
45
Hen1
2
Observed abundance
Conditional host
preference:
mean [min; max]
1
5 hens were used. Weight and body surface area are given for one hen.
Wt: Weight (kg); 3 BSA: body surface area (m²).
4
Different letters mean difference between hosts in predicted number of females for α = 0.05.
5
KSF: Kleiber scaling factor.
2
Preferential landing sites. On mare (Fig. 4), we collected 68% of the 297 C. scoticus
females on the back, 24% on the head, 6% on the legs and only 2% on the belly (p < 0.001).
The same trend was observed for the 200 C. dewulfi females (respectively 60%, 24%, 10%
and 7% with p = 0.016) whereas C. obsoletus did not seem to have clear preferential sites
(39%, 17%, 9% and 34%, N = 64, p = 0.711).
74
Chapitre 3-A
Figure 4: Number of Culicoides females collected on each mare body part by collection session (***
p < 0.001; * p < 0.05)
Implications for Orbivirus transmission. To highlight the interest to determine
conditional host preferences, we simulated the probability for C. obsoletus to bite twice the
same host species or successively two different host species in different context of sheep,
cattle and horse abundances, and under the assumption of no learning capacity for Culicoides
host choice (Fig. 5). In a simulated herd mixing sheep and 10 cattle – both hosts have the
same attractiveness and an important difference of weight – C. obsoletus would bite mainly
sheep, except in herds with low number of sheep. Feeding probability would be equally
distributed in both species in a simulated herd of 100 cattle and > 200 sheep. The same figure
would be observed in a herd mixing cattle and few horses – these two hosts having the same
weight but an important difference in attractiveness for Culicoides (Fig. 5).
42
Figure 5: Probability of feeding twice on the same host species or successively on two different host
species in various contexts of host abundances. Probabilities were computed as proposed by
Balenghien et al. (2011), for horses and cattle of 600 kg, sheep of 50 kg and conditional host
preferences calculated in table 2 for C. obsoletus
Comparison between host-baited and UV-light/suction trap collections. The number of
C. scoticus and C. obsoletus collected on mare-baited trap was linearly correlated with their
abundance in the UV-light/suction trap (R² = 0.86 and 0.89). The UV-light/suction trap
seemed to overestimate the biting rate of C. obsoletus on mare and to underestimate the biting
rate of C. scoticus on mare even if the method seems to remain the most sensitive in low
abundance (Fig. 6). On the other hand, it was not possible to establish a correlation between
the number of C. dewulfi collected by these two methods (R² = 0.16 for linear correlation).
76
Chapitre 3-A
Figure 6: Correlation between the numbers of Culicoides females collected on mare and in the UVlight/suction trap. The dash line represents a perfect correlation between both collection methods.
Discussion
To quantify host preferences of Palaearctic Culicoides, we carried out midge collections on
birds and mammals, including horse, cattle, sheep and goat, equipped with a sticky cover.
This method was shown to correctly assess the abundance of dominant species and allowed
overnight collections without human manipulation (Viennet et al., 2011). Presence of little
engorged females (females collected on mare were engorged on sheep) and one male on the
sticky covers suggested that these traps may partially act as an interception trap. However, the
majority of Culex females tentatively identified as Culex pipiens, a well-known ornithophilic
mosquito species (Vinogradova, 2000) collected on hen-baited trap indicated that our method
was reliable to collect insects attracted by the host and that the interception effect was limited.
Similarly, we collected Stomoxys calcitrans on mare, heifer and hens, which was concordant
with the known host preferences of this species (Warnes and Finlayson, 1987; Johnson et al.,
2010).
Host-feeding pattern reflected the relative attractiveness of a host (determined by the
responsiveness of insect to the host over distance) and the relative acceptability of that host
42
(determined by the insect-feeding responses after landing depending mainly on host reactions)
(Boreham and Garrett-Jones, 1973; Clements, 1999; Lardeux et al., 2007). With sticky cover
traps, we investigated the first part of the process, i.e. the relative attractiveness of hosts. Main
factors known to drive the attractiveness are the innate tendency of insects to respond to a
class of hosts (birds, mammals) or to a given species inside a class of host, and the host size
(Dow et al., 1957; Edman, 1974; Lardeux et al., 2007). Hematophagous insects are attracted
by CO2, respiratory moisture, body heat and odor plume emanating from hosts. Visual factors,
as shape or color of hosts, may also influence attractiveness at least in the final approach
phase. Factors attracting Culicoides are not fully understood. Color does not seem to be
influent (Humphreys and Turner, 1973). CO2 seems to attract individuals of the Variipennis
Complex in North America (Nelson, 1965; Mullens, 1995), whereas CO2 baited suction traps
collected only a few C. obsoletus or Culicoides parroti Kieffer in Spain (Mullens et al., 2005;
Gerry et al., 2009). However, it was clearly established that the host size, correlated with the
amount of emanations, influences Culicoides attraction (Humphreys and Turner, 1973;
Tanner and Turner, 1974; Raich et al., 1997).
To separate effect of host size from the host preference, we used different methods to
correct abundance data: weight, body surface area and Kleiber’s scaling factor. Whatever the
correction method, the highest numbers of Culicoides were collected on mare. This could be
explained by: i) a clear preference for horses or ii) a non linear host size effect, with the
presence of the larger animal “hiding” other hosts. It will be interesting to repeat these hostbaited collections with different host animals of the same weight, and with individuals of
different weights from the same host species to separate these mingled effects. Culicoides
obsoletus was the only abundant species attracted by hens, suggesting an opportunistic hostseeking behavior, this species being known to be attracted by horse, cattle or sheep
(Overgaard Nielsen, 1971; Townley et al., 1984; Mullens et al., 2005; Carpenter et al., 2008;
Gerry et al., 2009). We did not highlight preferential landing sites for C. obsoletus on horse
whereas Townley et al. (1984) found most of C. obsoletus landing and feeding on upper parts
of horse, Overgaard Nielsen (1971) on belly of heifers and Viennet et al. (2011) on lower
parts of sheep. Preferential landing sites may differ for individuals of the same Culicoides
species depending on the host, due to variable density of wool or hairs, to the colors and
temperatures according to the host body parts (Braverman, 1988). Culicoides scoticus and C.
dewulfi seemed to be primary mammal feeders, attracted in our collections mainly by the
horse. These species were also abundantly collected in sheep (Carpenter et al., 2008). The
overrepresentation of abundance in horse made difficult the comparisons of host preferences
for other mammals. Host-baited trap collections should be repeated without horse to better
determine host preferences for ruminants. Both species were found landing mainly on upper
parts of horse, as found by Townley et al. (1984) for C. dewulfi.
After landing on host, hematophagous insects may engorge or not depending on defense
reactions of host or on the “decision” of insect after skin examination. Although critical, this
phase is rarely described. Tanner and Turner (1974) showed that Culicoides arboricola Root
and Hoffman was equally attracted by rabbits and turkeys, but the engorgement rate was
much higher on bird than on mammal. Culicoides chiopterus was collected abundantly in
78
Chapitre 3-A
drop trap baited by sheep (Carpenter et al., 2008), but was found repeatedly engorged on
cattle even in sheep farms (Garros et al., 2011). Similarly, C. dewulfi females were never
found engorged during collections using drop trap baited with sheep (Viennet et al., 2011),
whereas feeding rates were usually high in drop traps: 68% for C. obsoletus on sheep
(Viennet et al., 2011), around 45% for C. obsoletus and C. dewulfi on horse (Townley et al.,
1984). In the absence of further information, we considered a maximal feeding rate to
compute the probability of C. obsoletus to feed twice on one-species host or successively on
two different species in theoretical herds mixing sheep, cattle and horses. These estimated
probabilities were indicators of the ability of species to transmit pathogens among populations
of one host species or between populations of two different host species (Balenghien et al.,
2011). These calculations showed that in herds mixing cattle and sheep, pathogens such as
BTV might easily be transmitted between sheep and cattle for a large range of both species
abundances. Similarly, the decoy effect (decreasing of the probability to bite twice cattle) of
one horse in cattle herd was rapidly compensated by the mass effect of cattle. These
theoretical examples illustrated the importance to determine host preferences and the relativity
of the “decoy host” method to prevent BTV transmission. However, they should be
considered cautiously, because of the underlying assumption of independent successive host
choices. As a matter of fact, many insect species are able to acquire knowledge of their
environment, including food resources (McCall and Kelly, 2002). It has been observed for the
host preference of hematophagous insects like mosquitoes (Hii et al., 1991), or tsetse flies
(Bouyer et al., 2007). The existence of such capacity in Culicoides species would limit the
role of bridge species and probably alter the vectorial capacity at the within-species,
population level.
Finally, this work allowed the comparison of biting midge abundance in host-baited traps
and in UV-light /suction trap, operated as standardized method. The comparison was
somewhat limited by the experimental design and available data. A correlation could be
established for C. obsoletus and C. scoticus, but not for C. dewulfi, showing that UV-light
collections may be used to follow changes in biting rates. However, the UV-light/suction trap
over-estimated C. obsoletus biting rates on horse and under-estimated C. scoticus biting rates.
The same biais tendencies were recorded by Viennet et al. (2011) and Carpenter et al. (2008)
for C. obsoletus.
Repeating this experiment in other ecological contexts will improve our understanding of
Culicoides host-feeding patterns (host preferences, feeding rates, or relation between biting
rates and UV-light/suction trap catches). Standardization of collection methods and data
analysis will help quantifying parameters of the host-feeding patterns, and also better
understanding and predicting the transmission risk of Culicoides-borne pathogens.
42
Acknowledgements
We are particularly grateful to the co-operators on whose premises this work was
conducted. From the Plateforme d’infectiologie expérimentale (PFIE) Inra Nouzilly, we
would like to thank its director B. Schwartz, and all people who gave assistance in operating
traps on several nights (technicians, animal keepers, shepherds), especially P. Sarradin for his
involvement in this project. This study was partly funded by CIRAD, the Ministry of
Agriculture, Food, Fishing and Rural Affairs, and EU FP7-HEALTH-2010-single-stage grant
261504 EDENext. It is catalogued by the EDENext Steering Committee as EDENextxxx
(http://www.edenext.eu). The contents of this publication are the sole responsibility of the
authors and don't necessarily reflect the views of the European Commission. The funders had
no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the
manuscript. The authors have no conflicting financial interests.
80
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Chapitre 3-B
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Préférences trophiques – méthode indirecte
86
Chapitre 3-B
87
88
Chapitre 3-B
42
90
Chapitre 3-B
91
92
Dans l’étude par approche directe, nous avons choisi de quantifier la préférence
trophique des espèces paléarctiques de Culicoides en réalisant des piégeages avec couvertures
collantes sur oiseaux (poules) et mammifères (poney, chèvre, mouton et génisse). Le système
des couvertures collantes, testé lors du travail précédent de comparaison de piège, a été choisi
car il permet de longues captures sans intervention humaine. La présence de deux femelles
gorgées sur mouton et capturées sur le poney et d’un mâle sur la cage des poules illustre que
le piège collant peut avoir agit, dans une certaine mesure, comme un piège à interception.
Cependant, cet effet doit rester limité, dans la mesure où Culex pipiens, connu comme
principalement ornithophile (Vinogradova, 2000), a été capturé essentiellement sur le piège
des poules. De même, les Stomoxys calcitrans (Linnaeus) connus pour être capables de se
gorger sur bovins, chevaux et oiseaux (Warnes and Finlayson, 1987; Johnson et al., 2010 ) ont
effectivement été capturés sur poney, génisse et poules. Les hôtes étaient séparés les uns des
autres d’environ 50 m. Ainsi, on peut supposer qu’ils étaient suffisamment éloignés pour
qu’un Culicoides retrouvé sur un hôte donné n’ait pas été attiré par l’hôte le plus proche, mais
aussi suffisamment proches pour que les Culicoides puissent percevoir les hôtes de manière
équivalente et « choisir » un hôte donné conditionnellement à la présence des autres. Il est
connu que les individus d’une même espèce n’attirent pas les insectes de la même manière, à
cause de différences liées au sexe, à l’âge, au stade physiologique, à la couleur, à l’odeur, à la
température corporelle, aux mouvements de défense, etc. Nous avons fait l’hypothèse que les
différences d’attractivité interspécifiques étaient plus importantes que les différences
intraspécifiques.
On peut décomposer la recherche d’hôte en plusieurs étapes. La première constitue le
« comportement appétitif », c'est-à-dire stimulé par la faim et régulé par l’horloge interne de
l’insecte. Ce comportement appétitif peut être soit passif, dans ce cas, l’insecte hématophage
reste dans son gîte de repos, attendant des signaux véhiculés par le vent, ce qui permet de
minimiser les pertes d’énergie, ou soit actif, dans ce cas, l’insecte hématophage se déplace
aléatoirement jusqu’à détection d’un stimulus lui permettant de localiser un hôte. La seconde
étape est l’activation par la perception de stimulus d’un hôte et l’orientation vers cet hôte. La
sensibilité à des composants olfactifs semble être présente pour un grand nombre d’insectes
hématophages (Chapman, 1988). Chez les Culidoides, il a été démontré que le CO2, le 1octèn-3-ol et la combinaison de ces deux composants ont un effet attractif (Mullens, 1995 ;
Blackwell et al., 1996 ; Bhasin et al., 2000). Cependant, suite à une augmentation en
concentration de CO2, Grant & Kline (2003) observent une réponse neuronale beaucoup plus
intense chez Aedes aegypti (Linnaeus) que chez trois espèces de Culicoides, suggérant que les
moustiques ont un système sensoriel périphérique détectant des changements plus faibles de
concentration de CO2 que les Culicoides. Il est connu que l’attractivité d’un hôte dépend de sa
taille, sans doute en rapport avec un dégagement de CO2 et autres composés attractifs d’autant
plus important que la taille augmente. Dans notre étude, pour contrôler ce facteur, nous
aurions pu exposer plusieurs animaux de manière à obtenir des poids équivalents (c'est-à-dire
1 poney, 6 moutons, 6 chèvres, 4 génisses et 28 poules). Cependant, ce protocole n’a pas pu
être retenu pour des raisons de disponibilité, de gestion des animaux et d’incapacité à analyser
93
la quantité correspondante de couvertures collantes. Nous avons opté pour un animal par
espèce d’hôte (à l’exception des poules), puis standardisé les données d’abondance par le
poids, la surface corporelle et le facteur d’allométrie de Kleiber. Nous avons obtenu les
abondances maximales sur poney, c'est-à-dire sur l’hôte le plus gros, et donc qui doit dégager
le plus de substances attractives. Cependant cette différence entre hôte reste flagrante malgré
la correction des données par le poids, la surface corporelle ou le facteur de Kleiber. Ainsi, les
hypothèses sont i) que les Culicoides capturés auraient une préférence réelle et forte pour les
chevaux et/ou ii) que le facteur taille de l’hôte ne serait aucunement linéaire, avec la
possibilité d’un effet seuil. En effet, on peut imaginer que le poney a, par sa corpulence,
masqué le pouvoir attractif des autres hôtes présents et plus petits. Il serait souhaitable de
répéter ces piégeages avec différents hôtes de même poids et d’étudier au sein d’une même
espèce d’hôte, l’effet de la variation du poids.
La vision tient également un rôle important dans la phase finale de recherche d’hôte, le
principal organe impliqué étant l’œil composé de l’insecte (Miller et al., 1968). Les insectes
distingueraient en premier l’odeur de l’hôte, puis, une fois proche de l’hôte et le contact visuel
établi, la phase d’orientation débuterait (Sutcliffe et al., 1995). Les insectes distinguent le
contraste des couleurs, l’intensité du contraste, et les mouvements entre l’objet et l’arrièreplan. Braverman et al., (2003) ont observé, par exemple, que C. imicola évite les zones
blanches préférant se poser sur des parties du corps avec des zones de poils plus sombres. Les
différences d’attraction peuvent provenir des différences de chaleur corporelle. Par exemple,
Braverman et al., (1988) ont capturé 72 % du total de Culicoides sur le ventre, zone ayant la
température la plus élevée. Humphreys et al., (1973) ont également analysé l’effet de la
couleur de l’hôte (blanc et noir) sur l’attractivité. La couleur de l’hôte n’a, dans leur étude,
aucun effet significatif sur l’attraction pour C. guttipennis et C. sanguisuga, les deux espèces
les plus abondantes. Dans cette étude, les hôtes étaient de couleur différente, mais tous
recouverts d’une couverture blanche limitant sans doute les différences de couleur entre hôtes.
De plus, il semblerait que la forme soit un facteur important dans l’identification des hôtes par
les Culicoides. Ainsi, alors que C. brevitarsis est connu pour être attiré par les bovins, Bishop
et al. (2008) ont démontré que recouvrir une vache d’une couverture, qui modifie sa forme et
certainement l’émanation d’odeur, diminue son attractivité. Nous avions pris le soin d’utiliser
des patrons de couverture suffisamment ajustés pour ne pas modifier la forme des hôtes (à
l’exception des poules). La taille de l’objet, qu’il soit hôte ou piège, apparait importante dans
l’attractivité. Viennet et al., (2011) ont suggéré que la taille et la structure du drop trap
pourrait expliquer en partie les captures abondantes de Culicoides obtenues avec ce piège. La
taille des pièges a également été constatée comme influente sur le nombre de tabanides ou de
simulies capturés (Thorsteinson and Bracken, 1965; Anderson and Hoy, 1972).
D’autre part, il peut exister des différences de sensibilité à lumière entre espèces. Par
exemple, les espèces nocturnes de moustiques sont beaucoup plus sensibles à la lumière que
les espèces diurnes (Land et al., 1999). On peut donc s’attendre à des différences spécifiques
chez les Culicoides. Ainsi, le piège à lumière ultraviolette peut sous-estimer ou surestimer le
taux de piqûre selon les espèces de Culicoides (Carpenter et al., 2008). Dans cette étude, nous
avons montré que le piège à lumière ultra-violette surestimait le taux de piqûres de C.
obsoletus mais sous-estimait celui de C. scoticus.
94
Dans la phase finale d’approche, l’insecte hématophage « décide » de se poser ou non
et sélectionne une zone sur laquelle atterrir. Dans notre étude, C. scoticus et C. dewulfi ont été
collectés abondamment sur la partie haute du poney (dos et tête), ce qu’avait précédemment
observé Townley et al., (1984) pour C. dewulfi. On peut supposer que la sélection d’une zone
de piqure est liée à des interactions entre espèces aboutissant à minimiser les compétitions
pour l’accès à la ressource alimentaire. Ainsi, il est possible que ces sites changent en fonction
de la diversité spécifique présente.
Une fois l’insecte hématophage posé sur l’hôte, celui-ci peut se gorger ou non en
fonction du degré de « satisfaction » de l’insecte suite aux premières explorations et de
l’intensité des mouvements de défense de l’hôte. Tanner et Turner (1974) ont montré que
C. arboricola est attiré par les lapins et les dindes. En revanche, le taux de gorgement était
bien plus important sur oiseau que sur mammifère, démontrant que cette étape de gorgement
est importante à prendre en considération. Les mouvements de défense des hôtes et leurs
intensités sont souvent dépendants de l’abondance des piqûres et de la gêne engendrée.
Lorsque le pic d’activité d’une certaine espèce est à son maximum, l’abondance de ces
piqûres peut, en provoquant des mouvements de défense chez l’hôte, limiter le succès du
repas de sang. Si ces mouvements de défenses sont trop intenses, les insectes vont devoir
s’adapter et changer d’hôtes pour assurer leur survie. Les petits vertébrés sont, en général,
ceux qui souffrent le plus des piqûres des insectes et par adaptation, ils auraient développé des
comportements de défense efficaces. Certaines espèces de moustique, par exemple Culiseta
melanura (Coquillett), vecteur de l’encéphalite équine de l’est, en faible abondance au
printemps et début de l’été, se nourrissent exclusivement sur passereaux. Plus tard dans la
saison, l’abondance de ces moustiques augmente, leur spectre d’hôte devient alors plus large
(Lehane, 2005). On peut s’attendre également, à ce que certaines espèces de Culicoides, en
fonction du rythme d’activité saisonnière, soient plus abondantes et/ou plus agressives et
provoquent des comportements défensifs chez l’hôte, les contraignant à cibler plusieurs
espèces d’hôtes. Par ailleurs, il a été plusieurs fois observé que la génisse, la chèvre et plus
rarement le mouton se couchaient, ce qui nécessairement a limité l’attaque des Culicoides au
niveau des membres et du ventre, conditions que nous ne pouvions malheureusement pas
contrôler.
Dans l’étude par approche indirecte, la préférence trophique des espèces paléarctiques
de Culicoides a été qualifiée par l’identification de l’origine du repas de sang. Cette méthode
a permis d’étudier un nombre de sites important et sur une grande échelle.
Cependant, comme pour l’approche directe, elle est dépendante des outils utilisés pour
échantillonner correctement les populations de femelles gorgées. Si la méthode la plus
adaptée serait de capturer les femelles gorgées directement dans les gîtes de repos, le piège
lumineux à lumière ultraviolette reste l’outil le plus utilisé. D’autre part, pour que l’étude de
l’origine du repas de sang soit complète et non biaisée, il faudrait recenser précisément les
hôtes présents sur le site, dans les alentours du piège et suivre un protocole standardisé ce qui
est très rarement fait. Les facteurs limitant de cette méthode pour la compréhension du
comportement trophique des femelles sont donc de ne donner qu’une information qualitative,
de ne pas permettre de faire la différence entre les femelles gorgées sur un individu donné et
celles gorgées sur des individus différents d’une même espèce d’hôte, de ne pas connaître
42
précisément les différents hôtes présents et enfin de ne pas utiliser les méthodes de piégeages
appropriées et standardisées. Toutefois, cette méthode indirecte permet de présenter une liste
d’hôtes sur lesquels une espèce donnée est capable de se gorger en conditions naturelles.
Le travail sur l’identification de l’origine du repas de sang a permis de présenter un
outil facile à utiliser, rapide et approprié pour identifier l’origine du repas de sang d’espèces
paléarctiques de Culicoides collectés dans 5 zones d’élevage (répartis entre les PyrénéesAtlantiques et l’Ile-et-Vilaine). Les amorces spécifiques de ruminants domestiques (bovin,
mouton, chèvre), ruminants sauvages (cerf, chamois, chevreuil), de chat, cheval, chien,
cochon ont été dessinées, puis multiplexées pour le gène mitochondrial du cytochrome b.
L’avantage de cette technique a été de pouvoir coupler pour la première fois l’identification
des espèces de Culicoides (notamment jumelles) avec l’identification de l’origine des repas de
sang pouvant être multiples. Sur toutes les femelles collectées, aucune ne s’est gorgée sur
animaux sauvages. En revanche, les femelles Culicoides collectées se sont gorgées sur les
hôtes majoritaires de l’exploitation à proximité de piège lumineux hormis des femelles C.
chiopterus qui se sont gorgées sur des bovins absents des fermes échantillonnées. Nous
observons ici deux tendances, un comportement opportuniste pour la majorité des femelles
collectées et un comportement spécialisé pour les femelles C. chiopterus.
96
Chapitre 4 :
Comportement des vecteurs de la fièvre catarrhale
ovine : endo/exophagie et rythme circadien des
Culicoides en Europe de l’Ouest
97
98
Introduction du chapitre 4
Chez toutes les espèces animales, des organismes unicellulaires jusqu’à l’homme, une
synchronisation de nombreuses fonctions internes aux cycles externes de l’environnement est
assurée par les rythmes circadiens. Ces rythmes ont une périodicité d’environ 24 heures, sont
sous dépendance de mécanismes endogènes appelés système circadien et entraînent des
variations comportementales et physiologiques (Tomioka and Sakamoto, 2006). Chez les
insectes, cela peut se manifester par des changements de comportement (activité de
déplacement) ou des variations de sensibilité aux stimuli visuels ou olfactifs (Corbet, 1966).
Le système circadien est composé de trois constituants : i) l’horloge interne, qui génère une
rythmicité proche de 24 heures, ii) les photorécepteurs nécessaires à la synchronisation des
rythmes endogènes sur les variations cycliques de l’environnement et iii) les systèmes
effecteurs de l’horloge qui aboutissent à la régulation temporelle des rythmes physiologiques
et comportementaux. L’information photopériodique est utilisée par les insectes pour
percevoir, entres autres, les changements de saisons (Adkisson, 1966). Le rôle le plus
important du système circadien est de programmer les phénomènes physiologiques et
comportementaux de l’insecte à un moment opportun : anticipation des différents moments de
la journée et des changements de saison pour optimiser l’activité de vol, d’accouplement, de
recherche d’hôte, de gîte de ponte. La synchronisation avec le cycle environnemental est
régulée essentiellement par le cycle jour/nuit (luminosité), et secondairement par la
température (Tomioka and Sakamoto, 2006). D’autres facteurs météorologiques, comme le
vent ou l’humidité relative, peuvent inhiber l’activité de vol et agir comme des facteurs
perturbateurs de ces cycles.
Chez les Culicoides, le rythme circadien est peu décrit. Les espèces de Culicoides sont
principalement décrites comme crépusculaires, pouvant poursuivre leurs activités pendant la
nuit. Ainsi certaines espèces présentent deux pics d’activité, un juste après le lever du soleil et
l’autre autour du coucher de soleil, à savoir C. furens, C. barbosai Wirth and Blanton (Kettle,
1969; Kettle, 1969 ; Lillie et al., 1987), C. impunctatus (Kettle, 1969; Kettle, 1969 ;
Blackwell, 1997) – ces trois espèces étant connues pour la nuisance provoquée par leur piqûre
sur l’homme – C. sonorensis (Mullens, 1995), C. fulvus, C. marksi et C. oxystoma (Bellis et
al., 2004). Alors que d’autres sont plutôt nocturnes comme C. peregrinus, C. bundyensis et
C. brevitarsis (Bellis et al., 2004). Cependant, peu d’études ont décrit rigoureusement le
rythme circadien sur 24 heures consécutives (Barnard and Jones, 1980; Lillie et al., 1987).
Utilisant un cheval comme piège à appât, Van der Rijt et al., (2008) sont les seuls auteurs à
avoir observé le rythme circadien de l’activité de recherche d’hôte de Culicoides européens.
Ils ont constaté que C. obsoletus était plus actif au coucher du soleil et beaucoup moins au
lever du soleil avec une activité rare pendant l’après-midi et la nuit (van der Rijt et al., 2008).
On peut supposer que les heures d’activité de recherche d’hôtes sont sélectionnées pour
maximiser le succès du repas sanguin, c'est-à-dire aboutir à une activité au moment où les
hôtes sont disponibles et minimiser la mortalité au moment de ces déplacements. De même,
l’endophagie, c'est-à-dire la capacité des insectes à pénétrer dans les bâtiments pour piquer
leurs hôtes, peut être considérée comme une adaptation pour atteindre ces hôtes. Comprendre
ce trait du comportement trophique des Culicoides a des conséquences importantes pour la
99
prévention et le contrôle des risques de transmission des pathogènes. Ainsi, C. imicola, le
principal vecteur des virus de la peste équine et de la fièvre catarrhale ovine, est connu pour
être une espèce nocturne et principalement exophage7 (Barnard, 1997; Meiswinkel et al.,
2000). Ainsi, en Afrique du Sud, rentrer les chevaux dans les écuries pendant la nuit a été une
méthode pour prévenir l’infection des chevaux par le virus de la peste équine en réduisant le
taux de piqûre de C. imicola (Barnard, 1997 ; Meiswinkel et al., 2000). Peu d’études ont
exploré ce caractère chez les espèces paléarctiques de Culicoides, et toujours en utilisant des
pièges lumineux, dont on sait qu’ils ne représentent pas correctement le taux de piqûre.
Le succès de la recherche d’un hôte par un insecte hématophage va dépendre de la
disponibilité et de l’accessibilité de l’hôte. Contrairement à un ectoparasite permanent, qui a
sa source de nourriture à portée de proboscis, les insectes hématophages à l’état libre doivent
localiser leur hôte et faire face à diverses contraintes environnementales (vent, pluie, variation
de luminosité), comportementales (mouvements de défense des hôtes) ou physiques
(bâtiments, courant d’air). Nous nous sommes intéressés à décrire, pour les espèces de
Culicoides paléarctiques, le degré d’endo/exophagie, et le rythme circadien et sa dépendance
aux facteurs environnementaux. Nous avons donc mené des captures à l’aide de deux types de
pièges (drop trap et suction trap) appâtés avec un groupe de moutons, localisés dans une
pâture, dans un bâtiment d’élevage largement ouvert et dans un autre bâtiment d’élevage dont
les seules ouvertures étaient constituées de deux larges portes ouvertes à moitié. Au total, six
sessions de capture chacune de 24 heures consécutives, ont été réalisées à trois périodes de
l’année 2010 (avril/mai, juillet/août, septembre/octobre). Les résultats sont présentés sous la
forme d’un article, qui est en cours de finalisation pour soumission dans le Journal of Medical
Entomology.
7
Exophage : se nourrissant à l’extérieur
100
Chapitre 4
Host-seeking activity of bluetongue virus vectors: endo/exophagy
and circadian rhythm of Culicoides in Western Europe
E. Viennet1*, C. Garros1, I. Rakotoarivony1, X. Allène1, L. Gardès1, J. Lhoir1, I. Fuentes1, R.
Venail2, D. Crochet3, R. Lancelot1, M. Riou3, C. Moulia4, T. Baldet1, T. Balenghien1*
1
CIRAD, UMR Contrôle des Maladies, F-34398 Montpellier, France
2
EID-Méditerranée, F-34184 Montpellier, France
3
INRA, UE1277 PFIE, Plate Forme d’Infectiologie Expérimentale, F-37380 Nouzilly, France
4
Université de Montpellier 2, ISEM équipe « Génomique interactive », F-34000 Montpellier, France
Corresponding author:
*
CIRAD, Contrôle des Maladies Animales Exotiques et Emergentes, Campus International
de Baillarguet, TA-A15/A, 34398 Montpellier Cedex 5, France
Phone: + 33-(0)4 67 59 38 56;
[email protected] or [email protected]
101
Endo/exophagie et rythme circadien
Abstract
Feeding success of free-living hematophagous insects is dependent on the insect
ability to be active when hosts are available and to reach places where hosts are accessible.
Diel timing of host-seeking activity and endophagy can be regarded as an adaptation of
hematophagous insect to ensure temporal and spatial encounter with appropriate host. When
the hematophagous insect is a pathogen vector, determining these components of host-seeking
behavior is of primary interest for the assessment of transmission risk.
Our aim was to describe endo/exophagy and circadian host-seeking activity of
Palaearctic Culicoides species, major biting pest and arbovirus vectors, using drop traps and
suction traps baited with four sheep, as bluetongue virus hosts. Collections were carried out in
three locations: field, largely-open stable and closed stable during six collection periods of 24
hours in April/May, in late June and in September/October 2010 in western France.
A total of 986 Culicoides belonging to 13 species, mainly Culicoides brunnicans
Edwards and Culicoides obsoletus (Meigen), was collected on animal baits. Culicoides
brunnicans was clearly exophagic, whereas C. obsoletus was able to enter into buildings. The
outdoor/indoor ratio of C. obsoletus abundance was higher in summer than in spring and
autumn, and was dependent on the building opening. In spring, C. brunnicans exhibited a
bimodal pattern of host-seeking activity with peaks just after sunrise and sunset. Culicoides
obsoletus was active before sunset in spring and autumn and after sunset in summer,
illustrating influence of other parameters than light, especially temperature. Speed wind,
temperature, sunlight, and atmospheric pressure seemed to influence host-seeking activity.
Finally correlations between host-baited trap and UV-light/suction trap collections were
assessed for both species.
Description of host-seeking behaviors allowed us to discuss control strategies for the
transmission of Culicoides-borne pathogens, such as bluetongue virus. However, simple
recommendations are too difficult to provide because of the variation in endophagy degree
and time of host-seeking activity depending on Culicoides species, host abundance, season
and weather conditions.
Keywords: Culicoides; host-seeking activity; endo/exophagy; circadian rhythm; bluetongue;
Western Europe
102
Chapitre 4
Host-parasite systems are under contradictory selective processes, as parasite fitness is
increased by a higher frequency of encounters with hosts and host fitness by avoiding these
contacts (Combes, 2000). Feeding success of free-living hematophagous insects, which can be
regarded as vertebrate parasites with periodic and short contacts, is dependent on the insect
ability to be active when hosts are available and to reach places where hosts are accessible
(Combes, 2010). Circadian and seasonal activities of insect are regulated by endogenous
oscillators which are led by natural diel alternation of light and darkness (Clements, 1999).
These biological clocks enable organisms to anticipate variations of biotic and abiotic factors
associated with seasonal or diel progression rather than follow them (Tauber and Tauber,
1981; Clements, 1999). Diel timing of host-seeking activity should be selected to ensure
temporal encounter of insect and host. Similarly, endophagy (the habit of obtaining the blood
meal within a man-made structure (Clements, 1999)) can be regarded as an adaptation of
hematophagous insect to reach hosts.
The description of circadian activity and endo/exophagy of hematophagous insects
could have practical implications in control of diseases induced by pathogens they transmit.
For instance, stabling horses at night in South Africa has been an environment friendly and
costless method to prevent African horse sickness (AHS) in reducing bites of the main vector
Culicoides imicola Kieffer known to be nocturnal and mainly exophagic (Barnard, 1997;
Meiswinkel et al., 2000). From 2006 to 2008, Europe faced a huge episode of bluetongue
virus serotype 8 (BTV8) transmission leading to disastrous sanitary consequences in domestic
ruminant populations and to important disruptions in animal trade (Wilson and Mellor, 2009).
European regulations recommend the stabling of animals during Culicoides activity to reduce
BTV transmission (EU Council Directive 2000/75/EC). The direct costs due to indoor
housing of animals in The Netherlands in 2006, which was compulsory in restriction zones,
were estimated to 18 Million Euros, i.e. 55% of total economic impact (Velthuis et al., 2009),
while endophagy of Palaearctic species was not precisely described.
Endophagous behavior of Palaearctic species was reported by Overgaard Nielsen and
Christensen (1975) in Denmark. In late 2006, comparing UV-light trap collections inside and
outside sheds in The Netherlands, Meiswinkel et al. (2008) collected threefold more
Culicoides outside than inside, where cattle are kept for the night. The species suspected to be
involved in BTV8 transmission, i.e. Culicoides obsoletus Meigen/Culicoides scoticus Downes
and Kettle, Culicoides dewulfi Goetghebuer and Culicoides chiopterus (Meigen), were those
mainly collected inside (Meiswinkel et al., 2008). Using the same methodology in France at
the same period, Baldet et al. (2008) collected mainly the same species inside stables, but in
greater number inside than outside. Authors conceded that results are difficult to interpret
because of the variation in building opening and in cattle abundance close to trap in the
different collection sites (Baldet et al., 2008). With a standardized approach, Baylis et al.
(2010) identified that the presence of animals and the opening of stable increased the indoor
number of Culicoides collected by UV-light trap. Moreover, authors highlighted that
reduction of Culicoides number between outside and inside traps is greater in summer (6.5
fold) than in autumn (3 fold) (Baylis et al., 2010). Unfortunately, all these studies used UVlight traps to assess Culicoides abundance, which are known to not assess correctly the biting
103
rate on animals (Carpenter et al., 2008; Gerry et al., 2009; Viennet et al., 2011). Indeed, light
attraction might lead to an overestimation of the Culicoides endophagy, due to an higher
trapping efficiency of inside light traps compare to outside light traps (European Food Safety
Authority, 2008).
Similarly, circadian cycles of Palaearctic species are poorly described. It is widely
assumed that Culicoides are mostly crepuscular and may continue to be active throughout the
night; however, many species are also troublesome in the day displaying two biting peaks:
one after sunrise the other close to sunset. These hours of attack can lengthen when low-light,
overcast conditions prevail leading to biting throughout the day in both open (Culicoides
impunctatus Goetghebuer) and forested environments (C. obsoletus) (European Food Safety
Authority, 2008). However, only few studies have described rigorously Culicoides
nycthemeral cycles with consecutive 24h collections (Barnard and Jones, 1980; Lillie et al.,
1987), and only one has regarded host-seeking behavior of European Culicoides (van der Rijt
et al., 2008). Using horse-baited collections, the latter found that the largest number of C.
obsoletus was collected at sunset, far less at sunrise and exceptionally in the afternoon and
night.
The aim of this study was to describe circadian host-seeking activity and
endo/exophagous behavior of Palaearctic Culicoides using host-baited trap collections. As
insect behaviors are directly affected by geophysical (sun and moon light cycles) and climatic
(temperature, humidity, wind) factors, we carried out collections in three different periods of
the year.
Study site and Culicoides collections
Indoor and outdoor collections were carried out during six collection periods of 24
hours in April/May, in late June and in September/October 2010 on an experimental farm
(Institut National de la Recherche Agronomique, INRA, UE1277 PFIE) breeding sheep and
located at Nouzilly (47°33’01’’N; 00°47’52’’E) in western France. Three areas, separated by
30 m from each other, were investigated: a field (61 x 103 m), a closed stable (17 x 45 m) and
a largely-open stable (30 x 10 m) (Fig. 1). The closed stable had closed windows (1 x 0.64 m;
30 windows west side and 12 east side) and two large doors (3.1 x 3.4 m) half open, thus
about 3% of the walls were open surface. The largely open stable was constituted by 3 walls,
1 roof and 1 open side, and openings constituted about 38% of the wall surface. During
collections, meteorological conditions (air temperature, relative humidity, wind speed and
direction, solar radiation, rainfall and atmospheric pressure) were recorded every five minutes
using a weather station Vantage Pro 2 (Davis Instruments France). Temperature and relative
humidity were also recorded by Tiny Tag TGP-4500 data logger at each trap location.
Monthly meteorological data recorded by national weather stations (Météo-France) at ParcayMeslay (47°26’36’’N; 00°43’36’’E; 13 km from the study site) and at Saunay (47°35’24’’N;
00°55’48’’E; 11 km from the study site) in 2010 were used to illustrate meteorological
104
Chapitre 4
conditions during the year of collections and to complete data recorded by the local weather
station.
Figure 1: Sketch map of the study site at Nouzilly (western France) with the location of the sheepbaited traps (drop trap and suction trap) in the three sites (field, large-open-stable, closed stable) and of
the UV-light/suction trap.
We collected Culicoides using one drop trap and one suction trap in the field and in
the closed stable, and one suction trap in the largely-open-stable (Fig. 1.). Sampling sites were
separated by a minimum of 30 m to minimize interference between traps. The drop trap
consisted of a rectangular cage (2.5 m wide x 3 m long and 2 m high) and made by white
cotton netting (< 0.25 mm² mesh size). Its structure and use was described in detail by
Viennet et al. (2011). The suction trap consisted of a wood box (48 cm wide x 58 cm long and
73 cm high) equipped with a car fan at the top and an inside collection bottle rotator (model
1512, John W. Hock Company, Gainesville, FL). Culicoides were collected in 0.5 liter plastic
collection bottles, containing two drops of soap in 1/3 of water, and then were transferred in
70% ethanol. Traps were operated during 24 consecutive hours (from 12 am to 12 am the next
day), giving 48 collections of 30 min intervals, and 6 times at each of the three 2-week
periods. Each trap was baited with four south-Prealpes sheep females of 3 to 5 years old and
55 to 65 kg weight enclosed in a pen (2.5 m long x 2 m wide x 1.3 m high). There were no
horses or cattle within 200 m from the sites during the collection sessions. Each protocol step
was conducted with respect to the standard ethical rules (staff was qualified for animal
experimentation, premises are licensed for experiment, protocol procedure does not cause any
pain, i.e. no injection, no biological sample, no surgery).
105
In parallel, a UV-light/suction trap (manufactured by the Onderstepoort veterinary
institute in South Africa) was operated during each collection session to have an overview of
the Culicoides diversity. It was running with an 8W UV light tube and on a 12-volt car battery
and placed at 1.5 m height from the ground on a tree invisible from the animal baits (figure 1).
The insects collected with the UV-light/suction trap were stored in 70% ethanol.
Culicoides identification
All Culicoides were morphologically identified under stereomicroscope (Stemi 2000C
ZEISS) to species level based on identification key for the Palaearctic region (Delécolle,
1985) and sorted by sex. Females were classified as nulliparous, parous (Dyce, 1969), freshly
blood-fed and gravid. When morphological identification with stereomicroscope was not
possible, individuals were dissected and identified using microscopic slide preparations
(ZEISS imager A.1 fluorescence microscope).
Individuals belonging to the Obsoletus Complex (C. obsoletus and C. scoticus) were
molecularly identified following the assay developed by Nolan et al. (2007). To fulfill a need
of high-throughput sample testing, DNA extraction kits based on the 96-well plate format
have been developed for tissue, blood samples and using Chelex resin (50 μL/Culicoides)
before polymerase chain reaction (PCR) (Solano et al., 1997). Primers and PCR
amplifications conditions were as described by Nolan et al. (2007).
Statistical analysis
Outdoor activity of Culicoides was compared between periods of the year to highlight
influence of day length on circadian activity and was compared with climatic conditions to
assess influence of meteorological parameters on host-seeking activity.
Abundance of Culicoides species were modeled using a Poisson generalized linear
mixed model. We used session (1 to 18) as random effect, and location (field, closed stable
and largely-open-stable), trap (DT, ST) and season (spring, summer and autumn) as potential
fixed effects. We considered also interactions between location and season, as endophagic
behavior may change between the different seasons (Baldet et al., 2008; Baylis et al., 2010).
Selection of effects and/or interactions in abundance model was based on the calculation of
the Pearson’s product-moment correlation between fitted and observed female abundance and
of the Akaike information criterion. Then analyzes of variance were performed to compare
models two by two and to assess importance of each selected effect and interaction.
Finally, we compared outdoor biting rates assessed by the host-baited traps with the
abundance in UV-light collections by calculating Pearson correlation coefficients.
All data analyses were performed using the R statistical package (R Development
Core Team, 2008).
106
Chapitre 4
Results
Climatic data
Climate in the study site was oceanic, with mean annual temperature of 11.4°C,
thermal amplitude of 14.9°C and annual rainfall of 694 mm (Météo-France data, 1971-2000).
In 2010, annual rainfall was lower than for the 1971-2000 period (586 mm), with deficit in
rainfall during the first part of the year (179 mm between January and May 2010 versus 298
mm for the reference period). Temperatures were generally closed to normal values in 2010,
with colder values in January and December and warmer in June and July (Fig. 2A).
Figure 2: Climatic conditions in the study site: A. Ombrothermic diagram for comparison between
2010 and the 1971-2000 period (data from Météo-France station of Parcay-Meslay); B. Boxplots of
temperature (°C) and relative humidity (%) recorded by data loggers at each location during the 15
collection sessions; C. Boxplots of mean and maximum wind speed (km/h) recorded by the local
weather station during each of the 6 summer collections.
During collection sessions, temperatures were higher in summer than in autumn and
spring, with smaller amplitude in autumn, whereas humidity was higher in autumn than in
summer and spring (Fig. 2B). The temperature decreased gradually from indoor to outdoor,
humidity showed the inverse tendency. In autumn, however, the relative humidity was the
highest in the largely-open-stable (Fig 2B). Amplitudes of temperature and humidity were
always higher outdoor than in other locations, with numerous outlier observations, especially
in autumn, probably due to direct exposure to the sun. Wind speeds were correlated between
locations, with an expected wind gradient from outdoor to indoor, with an intermediary
situation for the largely-open-stable (Fig. 2C).
107
Diversity and seasonality
During the 18 collection sessions, a total of 986 Culicoides (948 females and 38
males) belonging to 13 species were collected in host-baited traps (drop trap and suction trap)
and 539 Culicoides (451 females and 88 males) belonging to 19 species in the UVlight/suction trap (Table 1). Molecular assay was performed on 407 Culicoides females
morphologically identified as belonging to the Obsoletus Complex. The sample contained 349
C. obsoletus, 25 C. scoticus, 6 C. dewulfi and 1 C. chiopterus; 26 individuals were not
identified. Only 4% of Culicoides collected in host-baited traps were males – mainly the
dominant species Culicoides brunnicans Edwards collected by the drop trap – against 20% in
UV-light/suction trap. A total of 84 gravid females were collected, all in the suction trap
(mainly (47%) in summer and most (76%) are C. obsoletus). Blood-fed females were
collected by all traps, but mainly by the drop trap (4 in suction trap, 197 in drop trap and 9 in
the UV-light/suction trap). The majority of blood-fed females (196/210) belonged to the
dominant species C. brunnicans and C. obsoletus; the engorgement rate in drop trap was 28%
for C. brunnicans and 65% for C. obsoletus.
Diversity and abundance of species varied across seasons and traps. Culicoides
brunnicans was present quasi exclusively in spring (Table 1). Culicoides obsoletus was
present the three periods, mainly in summer period (Table 1). The abundance of C. scoticus
decreased progressively from the first to the last collection period (Table 1). Culicoides
brunnicans was more abundant in host-baited traps than in UV-light/suction trap, whereas the
opposite situation was observed for C. obsoletus. Moreover, UV-light trap collected some
species rarely or not collected in host-baited traps, as Culicoides punctatus Latreille and
Culicoides festivipennis Keiffer. On the contrary C. dewulfi and C. chiopterus were found in
host-baited traps but not in UV-light/suction trap (Table 1).
108
Table 1. Numbers of Culicoides collected over 18 sessions in spring, summer and autumn by host-baited traps and UV-light/suction trap
Location
OUTDOOR
Field
R1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10
10
13
13
15
15
17
17
17
17
C. brunnicans
C. obsoletus
C. scoticus
C. punctatus
C. festivipennis
C. pulicaris
C. dewulfi
C. chiopterus
C.
poperinghensis
C. achrayi
C. lupicaris
C. vexans
C. nubeculosus
C. simulator
C. kibunensis
C. santonicus
C. fascipennis
C. pictipennis
C. salinarius
C. puncticollis
Obsoletus
Complex
Pulicaris Group
Host-baited traps
Total
Suction Trap
Spring
Summer
F2
M
F
P
F P
592 24
111 11
193 3
31 55
61 54
43
29 81
5
40
4
1
1
1
8
16
10
2
2
5
4
1
3
3
1
3
5
M
Autumn
F P
M
27 63
2
2
Drop Trap
Spring
F
P
M
475 50 24
17
65
6
83
1
6
1
5
1
33
Summer
F P
M
6
67
42 60 1
Autumn
F
P
15
1
1
40
1
1
2
100
1
2
1
1
1
1
40
UV-light/suction trap
Total
Spring
F
M
F
P
M
140 62
126 5
62
186 16
17 59
29
2
18 33
27
4
22
12
1
6
6
4
3
1
2
1
Summer
F
P
14 93
95 43
8
75
7
57
11 100
12 50
M
3
Autumn
F
P
74
3
20
11
1
900
1
13
4
1
1
1
1
29
3
9
189
1
1
2
86
67
2
38
9
1
4
55
80
91
13
2
4
1
4
1
3
2
2
1
2
1
1
1
1
24
38
M
1
3
2
1
1
1
1
1
514
24
55
1
C. brunnicans
C. obsoletus
2
3
9 56 2
C. scoticus
2
C. dewulfi
1
C. newsteadi
1
Obsoletus
1
Complex
Total Largely open stable
21
2
4
5
12
2
Closed
1
C. brunnicans
2
1
1
stable
2
C. obsoletus
18
4
8
25
1
1
7
1
3
3
C. scoticus
2
2
1
1
1
1
4
C. punctatus
1
8
C. chiopterus
3
1
3
1
Obsoletus
1
1
Complex
Total Closed stable
27
7
10
4
2
8
2
1
5
TOTAL
948 38
203
95
2
58
6
516
24
56
6
1
R: species rank calculated with the total number of individuals whatever the trap and the season.
2
F: females; (P): parity rate as No. parous/No. females (given in percentage if F > 5); M: males. For the sake of clarity, 0 were not quoted.
INDOOR
Total Field
Largely
1
open
2
stable
3
7
17
Species
10
18
1
1
6
83
3
451
88
174
64
164
4
113
20
451
88
174
64
164
4
113
20
1
1
2
20
Endo/exophagy
The best model predicting the observed abundance of Culicoides (Pearson’s productmoment correlation, r = 0.98) was the complete model including location, season, interactions
between both and trap as fixed effects and the session as random effect, even if season had not
a clear effect on abundance (Table 2). Most of Culicoides females were collected outdoor
(mean predicted number of Culicoides of 8.5 outdoor versus between 0.4 and 1.0 indoor) and
mainly by the drop trap (4.2 versus 2.4).
Table 2. Mean No. observed (max) and predicted Culicoides for all species and the most abundant
species depending on the trap, the location and the season
Effect
Trap
Location
Season
Sea*loc1
Value
Drop trap
Suction trap
Outdoor
LOS2
Indoor
Spring
Summer
Autumn
-
All species
C. brunnicans
C. obsoletus
C. scoticus
C. dewulfi
Observed
Pred3
Observed
Observed Pred
Observed Pred
Observed Pred
16.4 (249)
6.6 (99)
4.18***
2.37
13.4 (237) 1.94***
2.1 (63) 0.45
2.1 (19)
2.7 (28)
0.91***
1.62
0.2 (4)
0.8 (25)
0.04***
0.22
0.1 (1)
0.3 (3)
0.04*
0.26
25.0 (249)
1.2 (6)
0.8 (6)
8.46***
0.99**
0.38
16.4 (237) 3.55***
0.1 (1)
0.03
0.1 (1)
0.01
5.4 (28)
0.7 (4)
0.5 (5)
3.09***
0.39
0.32
1.2 (25)
0.2 (2)
0.1 (1)
0.34***
0.04
0.02
0.4 (3)
0.1 (1)
0.0
0.41
0.03
0.00
24.0 (249)
5.0 (34)
2.6 (18)
5.62
2.03
2.17
19.6 (237) 3.55
0.2 (3)
0.04
0.0
0.00
1.9 (14)
3.6 (28)
2.0 (14)
0.89
1.53o
1.38
1.3 (25)
0.2 (2)
0.2 (1)
0.2 (3)
0.1 (0)
0.2 (2)
-
p < 0.001
Pred
-
p < 0.001
-
-
1
Interaction between season and location
LOS: largely open stable; Pred: predicted values; NS: not significant
3
Predicted values (Pred) are in bold and underlined if analyze of variance between models with and without that effect
showed significant differences with α = 0.05. P-values were given for effect modalities compared to a reference value, i.e.
“suction trap” for trap, “indoor” for location and “autumn” for season ( *** p < 0.001; ** p < 0.01; * p < 0.05;o p < 0.1, no
indication p > 0.1)
2
The best model predicting C. brunnicans abundance (r = 0.99) was the complete
model without the interaction term (Table 2), indeed this species was found quasi exclusively
during the first collection period. Culicoides brunnicans was collected quite exclusively
outdoor (between 100 and 300 fold more abundant outdoor than indoor) and mainly by the
drop trap (1.9 versus 0.5). Interaction between location and season was needed to obtain the
best prediction of C. obsoletus abundance (r = 0.91). Culicoides obsoletus was more collected
outdoor (between 8 and 10 fold more abundant outdoor than indoor) and by the suction trap
(1.6 versus 0.9 by the drop trap). Interaction between location and season influenced the
prediction of C. obsoletus abundance (p < 0.001). Indeed, differences between indoor and
outdoor collections of C. obsoletus varied across season (Fig. 3). Culicoides obsoletus was
predicted to be 5 fold more abundant outdoor than in the closed stable (30 fold than in the
largely open stable) during spring, 100 fold (20 fold) during summer and 5 fold (3 fold)
during the autumn (Fig. 3). For C. scoticus and C. dewulfi, only trap and location as fixed
effect were needed to obtain parsimonious and god-fitting models (r = 0.98 and r = 0.72).
Both species were more collected by the suction trap (0.22 and 0.26 versus 0.04 and 0.04),
110
Chapitre 4
and C. scoticus was more collected outdoor (between 9 and 22 fold more abundant outdoor
than indoor).
Figure 3: Abundance of Culicoides obsoletus according to the trap and the location in spring (A),
summer (B) and autumn (C). LOS: largely open stable
Circadian host-seeking activity
During collections, the time of sunrise ranged from 6h49 (GMT + 1) the 26th April to
8h06 the 8th October, when the sunset ranged from 21h01 to 19h24 between the same dates.
During spring, C. brunnicans exhibited clearly two peaks of activity. The host-seeking
activity increased rapidly just after sunrise, and then slowly decreased during the next 5 hours.
Host-seeking activity started again 5 hours before the sunset, reaching a peak just after sunset
and then decreasing rapidly (Fig. 4).
Host-seeking activity of C. obsoletus was recorded mainly around sunset. In spring
and autumn, host-seeking activity started slowly 2 hours before sunset, peaked just before
sunset and then decreased rapidly (Fig. 4). In summer, we observed the same shape of hostseeking activity except that the peak occurred just after sunset. A slight host-seeking activity
was recorded around sunrise, especially in autumn. Outside these 2 periods, host-seeking
activity was quite absent. The surprising peak observed in the middle of the afternoon (15h20)
was the result of one single collection with the drop trap.
The same pattern, i.e. host-seeking activity mainly around sunset and slightly around
sunrise, was observed for C. dewulfi, C. chiopterus and C. scoticus, even if the low number of
females collected did not allow representing the daily host-seeking activity.
111
Figure 4: Circadian host-seeking activity of C. brunnicans and C. obsoletus: Total number of females
collected outdoor by host-baited traps at each session and day time. Small symbols are single
collection and lines with large symbols the means by period. Vertical lines symbolize the time of
sunrise and sunset.
Due to technical problems, we did not have meteorological parameters recorded
locally for all collection sessions. Thus, we first compared available local data with the
records of Météo-France weather stations. Correlations were excellent for temperatures and
satisfactory for all other meteorological parameters, except for wind and rainfall which may
have been affected by local events. Comparing Culicoides abundance with Météo-France
records, we highlighted that Culicoides were collected in a large range of temperature (Fig.
5): single individuals were collected at low temperatures (3.2 °C was the minimum) and first
important catch (60 Culicoides) with low temperatures was recorded at 7.8 °C. Low relative
humidity did not seem to inhibit host-seeking activity (Fig. 5) as 47 Culicoides were collected
at 26% of humidity. The first important catch (20 Culicoides) with strong wind was done with
wind speed of 8.2 m/s, but differences observed between winds recorded locally and by
Météo-France station, limited confidence in this threshold (Fig. 5). Almost all the collections
were carried out without any rainfall event recorded locally or by Météo-France stations.
Most of the Culicoides were collected with an atmospheric pressure comprised between 1,013
and 1,018 HPA. Finally, Culicoides were rarely collected when solar radiation exceeded 130
J/cm², and collections were maximal with low values of solar radiation (Fig. 5).
112
Chapitre 4
Figure 5: Number of Culicoides collected outdoor in host-baited traps compared to meteorological
parameters recorded by MeteoFrance weather stations located at Parcay-Meslay or at Saunay. Lines
are the distribution histogram of meteorological parameters recorded during the collections.
113
Culicoides brunnicans biting rates in spring assessed by drop trap or suction trap was
linearly correlated with the abundance in UV-light/suction trap (R² = 0.74), but some
collections were positive in host-baited traps but not in UV-light/suction trap, or conversely
(Fig. 6). Correlation was slighter for C. obsoletus, even if it seemed that UV-light/suction trap
tended to over-estimate biting rates.
Figure 6: Correlation between the numbers of C. brunnicans and C. obsoletus collected
outdoor in host-baited traps and in UV-light/suction trap.
Discussion
We described endo/exophagy and circadian host-seeking activity of Palearctic
Culicoides species using drop trap and suction trap collections. The trap, as fixed effect, was
necessary to model abundances of all Culicoides species. The drop trap collected more C.
brunnicans than the suction trap – Viennet et al. (2011) showed that drop trap collected more
C. brunnicans than other host-baited trap methods – but abundances assessed by both
methods were perfectly correlated (Pearson’s coefficient r = 0.99). The suction trap collected
more individuals of other species than the drop trap, and presence of gravid females suggested
that this trap may have collected non host-seeking females. Moreover, differences between
traps may reflect spatial variations of Culicoides populations. However, satisfactory
concordance of abundance (r = 0.67) or parity for C. obsoletus in both trap suggests that
suction trap could be used as an efficient and easy alternative to drop trap.
To date, investigations of Culicoides endo/exophagy had been carried out always with
UV-light/suction traps (Anderson et al., 1993; Barnard, 1997; Meiswinkel et al., 2000; Baldet
et al., 2008; Meiswinkel et al., 2008; Calvete et al., 2009; Baylis et al., 2010), with the
114
Chapitre 4
exception of one study (Votypka et al., 2009) on ornithophilic Culicoides species. But UVlight/suction trap collections were greatly dependent on local conditions, such as presence and
number of animals in the vicinity of trap (Garcia-Saenz et al., 2011), leading to complicated
interpretations. For instance, C. imicola was collected in greater number by indoor animalbaited light traps than by outdoor unbaited light traps in Spain (Calvete et al., 2009), in
apparent contradiction with the classical description of this species as exophagic (Barnard,
1997; Meiswinkel et al., 2000). In our study, host-baited collections in outdoor and indoor
conditions (with two degrees of opening) highlighted that Palaearctic Culicoides are primary
exophagous insects, some species being strictly exophagous, as C. brunnicans, some others
showing a degree of endophagy, as C. obsoletus or C. scoticus. We showed that the number of
Culicoides entering into building was higher in largely open stable than in closed stable,
confirming previous observations (Barnard, 1997; Meiswinkel et al., 2000; Baylis et al.,
2010). Baylis et al. (2010) showed that differences between outdoor and indoor catches
decreased from summer to autumn. To explain these differences, authors suggested factors
difficult to untangle. On one hand, the colder temperatures and stronger wind observed in
autumn could suppress outdoor Culicoides host-seeking activity – overcast conditions have
been shown to decrease outdoor UV-light/suction collections (Meiswinkel et al., 2000;
Meiswinkel et al., 2008). On the other hand, autumnal conditions could also interfere in light
trap efficiency – wind could modify the suction trap efficiency – or host-seeking activity
could occur mainly before sunset in late year decreasing part of Culicoides which would be
collected (Murray, 1987; Kettle et al., 1998). We observed the same variations in difference
between outdoor and indoor collections across seasons (9.1 fold in spring, 36.2 in summer and
3.8 in autumn), whereas autumnal collections were equally or less windy than the other
collections. Thus, the degree of endophagy of C. obsoletus seemed to vary across the year.
However, the number of sheep grazing around the study site was lower in autumn than in the
other periods potentially enhancing Culicoides to enter into the shed to blood feed. Finally,
the presence of few gravid C. obsoletus indoor suggest that some females may enter into shed
to oviposit, as illustrated by the possibility to find Culicoides larvae indoor (Zimmer et al.,
2010; Ninio et al., 2011).
It is widely assumed that Culicoides are mostly crepuscular (Mellor et al., 2000).
However, only few studies have described rigorously Culicoides circadian cycles with
consecutive 24h collections (Kettle, 1969; Barnard and Jones, 1980; Lillie et al., 1987), and
only one has regarded host-seeking behavior of European Culicoides using horse-baited
collections (van der Rijt et al., 2008). Two patterns of host-seeking activity were observed
during our 24 consecutives hours of collection. Culicoides brunnicans showed a bimodal
pattern of host-seeking activity with peaks at dawn and dusk, as found by Blackwell et al.
(1997) for flight activity of C. impunctatus. Other species, C. obsoletus, C. scoticus,
C. dewulfi and C. chiopterus, showed a main activity around sunset, even if some individuals
could be collected around sunrise. We cannot exclude that in context of higher abundance,
these species present a second, but lower peak of host-seeking activity around sunrise, as
highlighted by Van der Rijt et al. (2008) for C. obsoletus (84 individuals collected at sunset
versus 10 at sunrise). Meteorological conditions are known to impact adult midge activity
115
(Kettle, 1969; Mellor et al., 2000). It seems clear that windy conditions suppress the flight
activity of Culicoides (Kettle, 1969; Blackwell, 1997; Meiswinkel et al., 2000). Flight activity
is described as exceptional at temperatures inferior to 10 °C and optimal at temperatures
superior to 20 °C (Tsutsui et al., 2010). Finally, Blackwell et al. (1997) found positive
correlation between flight activity of C. impunctatus females and relative humidity and
rainfall. During our observations, relative humidity was not found to influence host-seeking
activity and minimal temperature required seemed lower than described by Tsutsui et al.
(2010), i.e. 8 °C, illustrating a probable specific variation. We found that the highest hostseeking activity for low, but not null sunlight corresponding to twilight periods. Changes in
light intensity during the day could explain “abnormal” host-seeking activity. For instance, 15
C. obsoletus were collected in the middle of the afternoon (at 15h20) one day of June (Fig. 4).
During this afternoon, sunlight decreased from 120 (14h00) to 77 (15h00) and to 20 J/cm²
(16h00), compared to means of 226 (14h00), 224 (15h00) and 225 (16h00) the other
collection days of June. The first consequence is the possible lengthening of Culicoides attack
hours when low-light overcast conditions prevail leading to biting throughout the day, as
known in both open for C. impunctatus or in forested environments for C. obsoletus
(European Food Safety Authority, 2008). The other consequence is the possible host-seeking
activity of Culicoides during night due to moon illumination, as demonstrated by Barnard and
Jones (1980) or Lillie et al. (1987). Therefore, it would be interesting to study influence of
moon light and moon phases on circadian host-seeking activity of Palaearctic Culicoides.
Sunset and sunrise times depend on locality and season, leading to a change in host-seeking
activity times throughout the year. Moreover, C. obsoletus was found active before sunset
during spring and autumn, and after sunset during summer, illustrating influence of other
parameters than sunlight. This could be an adaptation to temperatures as suggested by Lillie et
al. (1987) who found the same pattern change throughout the year. Finally, it would be
interesting to carry out further investigations on the influence of atmospheric pressure, a
parameter rarely explored, but that could influence host-seeking activity as suggested by our
observations.
Finally, this work allowed the comparison of biting midge abundance in sheep-baited
traps and in UV-light /suction trap, operated as standardized method. Due to experimental
design, these methods could not be rigorously compared. A correlation, close to the bisector,
could be established for C. brunnicans, showing that UV-light collections may be used
without correction to follow changes in biting rates. Correlation was worse for C. obsoletus,
but the tendency of biting rate over-estimation by the UV-light/suction trap was already
recorded by Carpenter et al. (2008) and Viennet et al. (2011 ; submitted).
To conclude, in farms with grazing animals, keeping some valuable animals in closed
stable would limit their risk to be bitten by Culicoides and then to be infected by Culicoidesborne pathogens, as biting midges seem to be primary exophagic insects. However, simple
recommendations are too difficult to provide because of the variation in endophagy degree
and time of host-seeking activity depending on Culicoides species, host abundance, season
and weather conditions. This is a consequence of evolutionary processes selecting the ability
of hematophagous insects to ensure host encounter in time and space.
116
Chapitre 4
Acknowledgements
We are particularly grateful to the co-operators on whose premises this work was
conducted. From the Plate-Forme d’Infectiologie Expérimentale (PFIE) Inra Nouzilly, we
would like to thank his director Bertrand Schwartz, and all people who gave assistance in
operating traps on several nights (technicians, animal keepers, shepherds), especially P.
Sarradin for his involvement in this project. This study was funded partially by CIRAD, by
the Ministère de l’agriculture, de l’alimentation, de la pêche, de la ruralité et de
l’aménagement du terroire and by the EU FP7-HEALTH-2010-single-stage grant 261504
EDENext. This paper is catalogued by the EDENext Steering Committee as EDENextxxx
(http://www.edenext.eu). The contents of this publication are the sole responsibility of the
authors and do not necessarily reflect the views of the European Commission.
117
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121
Liste des figures
Figure captions
Figure 1: Sketch map of the study site at Nouzilly (western France) with the location of the
sheep-baited traps (drop trap and suction trap) in the three sites (field, large-open-stable,
closed stable) and of the UV-light/suction trap.
Figure 2: Climatic conditions in the study site: A. Ombrothermic diagram for comparison
between 2010 and the 1971-2000 period (data from Météo-France station of Parcay-Meslay);
B. Boxplots of temperature (°C) and relative humidity (%) recorded by data loggers at each
location during the 15 collection sessions; C. Boxplots of mean and maximum wind speed
(km/h) recorded by the local weather station during each of the 6 summer collections.
Figure 3: Abundance of Culicoides obsoletus according to the trap and the location in spring
(A), summer (B) and autumn (C). LOS: largely open stable.
Figure 4: Circadian host-seeking activity of C. brunnicans and C. obsoletus: Total number of
females collected outdoor by host-baited traps at each session and day time. Small symbols
are single collection and lines with large symbols the means by period. Vertical lines
symbolize the time of sunrise and sunset.
Figure 5: Number of Culicoides collected outdoor in host-baited traps compared to
meteorological parameters recorded by MeteoFrance weather stations located at ParcayMeslay or at Saunay. Lines are the distribution histogram of meteorological parameters
recorded during the collections.
Figure 6: Correlation between the numbers of C. brunnicans and C. obsoletus collected
outdoor in host-baited traps and in UV-light/suction trap.
122
Discussion du Chapitre 4
En capturant des Culicoides sur des bovins à l’intérieur de bâtiments au Danemark,
Overgaard Nielsen & Christensen (1975) ont mis en évidence un certain degré d’endophagie
chez les espèces paléarctiques. Pendant 30 ans, aucune étude, à notre connaissance, ne
s’intéressera à cet aspect du comportement trophique. Récemment, Meiswinkel et al. (2008)
ont comparé le résultat de captures à l’intérieur et à l’extérieur de bâtiments en utilisant des
pièges à lumière ultra-violette. Trois fois plus de Culicoides ont été capturés à l’extérieur qu’à
l’intérieur, sauf en cas de ciel couvert, où cette tendance semble s’inverser. Ces auteurs
pensent que certaines espèces de Culicoides pourraient attaquer les bovins en pâture et les
suivre lorsqu’ils rentrent dans les bâtiments, mais aucune preuve formelle n’est apportée. Les
espèces collectées à l’intérieur des bâtiments, i.e. C. obsoletus/scoticus, C. dewulfi et
C. chiopterus sont celles potentiellement impliquées dans la transmission du sérotype 8 du
virus de la FCO (Meiswinkel et al., 2008). En France et dans la même période de l’année,
Baldet et al. (2008) ont collecté les mêmes espèces en plus grande proportion à l’intérieur de
bâtiments d’élevage qu’à l’extérieur, en utilisant la même méthode de piégeage. Cependant
ces résultats sont difficiles à interpréter dans la mesure où le degré d’ouverture des bâtiments
d’élevage, et la présence et l’abondance des animaux autour des pièges lumineux étaient
variables (Baldet et al., 2008). Par une comparaison rigoureuse (carré latin avec comme
facteurs intérieur/extérieur et présence/absence d’animaux), Baylis et al., (2010) ont montré
que la présence d’animaux ainsi que l’ouverture des bâtiments augmentaient le nombre de
Culicoides collectés à l’intérieur d’un bâtiment, le ratio extérieur versus intérieur est de 6,5 en
été et de 3 en automne. Néanmoins, toutes ces récentes études ont été réalisées avec des
piégeages lumineux, ce qui complique l’interprétation des résultats8. Nous avons donc utilisé
des pièges à appât et observé que les Culicoides présents sur le site sont exclusivement, C.
brunnicans, ou principalement, C. obsoletus, C. scoticus et C. dewulfi, exophages. Le degré
avec lequel C. obsoletus pénètre dans les bâtiments semble dépendre de la saison, avec des
interactions parfois difficiles à interpréter. Il est probable que l’accessibilité des hôtes puisse
être un facteur déterminant dans le degré d’endophagie des Culicoides. Les élevages suivent
des rythmes de production régulés par les saisons en fonction des conditions pédoclimatiques,
de la qualité du système fourrager et d’autres contraintes (agnelage de printemps, mise en
pâture et rotations…). Le site expérimental, sur lequel se sont déroulées les captures,
présentait des troupeaux en bergerie, mais aussi à la pâture, pendant la première et deuxième
session de capture, mais pas pendant la troisième. Ce facteur, que nous ne pouvions pas
contrôler, a pu avoir un effet sur le degré d’endophagie des espèces à l’automne, mais,
néanmoins, un faible ratio entre captures intérieures et extérieures a été trouvé aussi au
printemps. Les différences de conditions météorologiques, en particulier les gradients de
température, humidité et lumière, entre intérieur et extérieur pourraient avoir une influence
sur le degré d’endophagie des Culicoides.
Les conditions météorologiques ont une influence sur l’activité des Culicoides, la
luminosité semblant être un paramètre essentiel, pouvant perturber la dynamique circadienne
8
Des détails seront donnés dans la discussion générale
123
régulée par le rythme endogène. C. brunnicans présente deux pics d’activité : un juste après le
lever et l’autre autour du coucher de soleil. Les autres espèces, C. obsoletus, C. scoticus et
C. dewulfi sont actifs autour du coucher de soleil, et secondairement après le lever du soleil. Il
est intéressant de noter que l’activité circadienne varie avec la saison, avec une activité
principalement avant le coucher du soleil au printemps et à l’automne et après le coucher du
soleil en été. D’un point de vue évolutif, cette tendance pourrait être perçue comme un moyen
d’éviter les faibles températures en saison fraiche et éviter la dessiccation par fortes
températures. Certaines espèces semblent donc adapter leur activité de recherche d’hôte en
fonction des conditions environnementales. Cette observation montre la difficulté de séparer
la régulation par le rythme endogène, qui est synchronisé sur les saisons, de l’influence des
paramètres météorologiques qui modifient l’activité de vol. En termes de lutte vectorielle, il
apparaît difficile de proposer une stratégie claire.
124
125
126
L’objectif de cette thèse était de participer à l’amélioration des connaissances sur la
biologie et l’écologie des espèces paléarctiques de Culicoides en caractérisant le
comportement trophique des espèces d’intérêt vétérinaire par des approches standardisées et
pour certaines nouvelles. Ce travail a été structuré en plusieurs grandes questions.
Que sait-on sur la biologie et l’écologie des Culicoides adultes?
La revue de la littérature portant sur la biologie et de l’écologie des adultes Culicoides
a permis de constater que, malgré l’intérêt suscité par ces petits moucherons en tant que
nuisibles et vecteurs de par le monde, et en particulier depuis l’émergence de la FCO en
Europe, encore beaucoup de points restent à élucider. Certes de nombreuses études ont été
entreprises, notamment ces dernières années, mais les méthodes employées ne sont pas
toujours adaptées et rarement standardisées, ce qui aboutit à des observations dont
l’interprétation est limitée à un contexte particulier (expérimental, local) et difficilement
généralisables voire même simplement extrapolables.
Quels pièges pour quels objectifs d’étude ?
Nous avons décidé de nous focaliser exclusivement sur le contact entre les Culicoides
et leurs hôtes, composante du comportement des Culicoides qui est déterminante pour la
compréhension de la transmission d’Orbivirus. Le risque de transmission du virus est
dépendant de plusieurs facteurs dont le taux de piqûre, les préférences trophiques et le taux de
parité, qui est un indicateur grossier du taux de survie de la population (Macdonald, 1950;
Garrett-Jones and Shidrawi, 1969; Service, 1977). Un moyen d’étudier le comportement
trophique, et en particulier de déterminer le taux de piqûre qui est un paramètre essentiel des
modèles épidémiologiques, est de collecter les femelles directement sur un hôte appât
(Garrett-Jones, 1964; Silver and Service, 2008). Mais cette collecte directement sur animaux,
réalisée classiquement chez les Culicoides à partir de deux méthodes, i.e. le drop trap et
l’aspiration directe, est relativement difficile à réaliser et lourde techniquement. Comme pour
toutes les études en conditions naturelles, les résultats des collectes vont dépendre des
conditions climatiques (température, humidité, intensité lumineuse et vitesse du vent), de la
disponibilité et de l’accessibilité aux hôtes (Murray, 1987; Barnard, 1997; Baylis et al., 2010;
Garcia-Saenz et al., 2011). La méthode de collecte la plus simple à mettre en œuvre, i.e. le
piège à lumière ultraviolette, est très largement utilisée pour échantillonner les populations de
Culicoides et les résultats sont souvent la base de l’incrimination des espèces en tant que
vecteur potentiel. Toutefois, les données d’abondance et de diversité obtenues avec ce piège
concernent essentiellement des espèces ayant une activité crépusculaire ou nocturne, c’est-àdire par définition lorsque le piège est actif, et ne reflètent pas fidèlement les préférences pour
les hôtes d’intérêt.
Afin d’utiliser la méthode la plus approprié pour l’étude du contact hôte/Culicoides, il
nous a paru indispensable de comparer les différentes méthodes disponibles et les plus
utilisées. Puisque les pièges à appât (drop trap et aspiration directe) sont assez contraignants
et nécessitent une intervention humaine fréquente, et dans la mesure où le piège le plus
127
communément utilisé, le piège à lumière ultraviolette, ne représente pas correctement le taux
de piqûre, le défi a été de concevoir, tester et valider une nouvelle méthode de capture sur
appât qui ne nécessiterait pas autant de manipulation autour de l’animal. Le principe est de
recouvrir l’animal d’une couverture collante, ce qui permet de collecter les individus venant
se poser sur l’animal sans en changer l’aspect visuel, la difficulté étant de minimiser le
pouvoir attractif ou répulsif du dispositif. Cette méthode a été comparée avec les autres pièges
à appât et avec le piège lumineux, en réalisant des collectes autour du coucher de soleil et à
partir d’un protocole standardisé en carré latin, ce qui a permis de confirmer et d’observer
plusieurs tendances. Les biais de chacune des méthodes de capture ont été évalués en fonction
de leur capacité à collecter des femelles en recherche d’hôte. La principale difficulté était
l’absence d’une méthode de référence, toutes ayant un dispositif expérimental pouvant attirer
ou repousser les Culicoides. Certaines données objectives (capture de mâles ou de femelles
gorgées) ont pu être utilisées pour évaluer les biais des méthodes de capture, qui ont été
surtout comparées relativement les unes par rapport aux autres.
L’aspiration directe a été la seule méthode qui n’a pas collecté de mâle ni de femelles
gravides. Cependant, selon les espèces, cette méthode a capturé autant ou moins de femelles
que les autres méthodes, suggérant que la présence humaine (pendant les aspirations répétées
de 10 minutes) a pu déranger l’activité des femelles. Même si le degré de cet effet est mal
connu, l’aspiration directe semble collecter essentiellement des femelles en recherche d’hôte
et peut donc être utilisé pour estimer le taux de piqûre des Culicoides.
Le drop trap a été la méthode de capture sur hôte qui a capturé le plus grand nombre
de femelles (sauf pour C. scoticus, en plus grande quantité sur la couverture collante). On peut
s’attendre à ce que la structure et la masse blanche du drop trap, certainement sélectionné
comme objet-marqueur par les Culicoides, a pu orienter et attirer les Culicoides. Ce qui
expliquerait pourquoi le drop trap a tendance à capturer quelques mâles et pourrait ne pas
capturer uniquement des femelles en recherche d’hôte (e.g. un nombre plus important de
femelles C. obsoletus pares, gorgées a été capturé dans ce piège comparativement aux autres
pièges) et donc à surestimer le taux de piqûre. L’avantage de ce piège est de laisser la
possibilité aux femelles de se gorger, à la différence de l’aspiration directe et du piège collant,
phase du comportement trophique qui peut être décisive chez certaines espèces de Culicoides.
Il est intéressant de noter que C. dewulfi, la deuxième espèce la plus abondante collectée dans
le drop trap, n’a jamais été trouvée gorgée sur mouton. Il est possible que les femelles de C.
dewulfi aient été attirées par les moutons alors qu’elles ne se gorgent pas sur cet hôte. Une
telle spécificité d’hôte a été suggérée pour C. chiopterus (Garros et al., 2011). Lorsque des
captures ont été réalisées avec des drop traps et des pièges à aspiration fonctionnant en
parallèle, les abondances estimées étaient différentes entre les deux pièges. En outre, la
présence de femelles gravides dans le piège à aspiration laisse penser que ce piège ne capture
pas uniquement des femelles en recherche de repas de sang. Néanmoins, ces différences entre
pièges peuvent refléter les variations spatiales entre populations. La corrélation entre
abondances capturées par le drop trap et par le piège à aspiration est parfaite pour
C. brunnicans et très satisfaisante pour C. obsoletus suggérant que le piège à aspiration peut
être perçu comme une méthode alternative au drop trap efficace et facile à utiliser.
128
La couverture collante a montré sa capacité à prédire correctement le taux de piqûre
des espèces abondantes. Cependant, la collecte de femelles gravides et gorgées indiquent que
le piège collant peut agir, dans une certaine mesure, en tant que piège à interception. Lors de
la comparaison des pièges, les espèces telles que C. obsoletus et C. dewulfi, collectées dans
les autres pièges n’étaient pas (ou quasiment pas) collectées sur ce piège collant. Les raisons
précises de cette non capture ne sont pas connues, mais peuvent être liées soit à un mauvais
patron de la couverture qui ne recouvrait pas correctement la tête et les oreilles – la partie
recouvrant la tête est délicate à mettre en place, puisque l’animal doit pourvoir correctement
manger et respirer et voir – soit à une sensibilité de ces espèces à la substance collante,
pourtant réputée inodore et non volatile. On peut aussi imaginer que la couverture associée à
la substance collante empêchait au moins en partie l’émanation des odeurs de l’animal, ce qui
aurait pu limiter son attractivité pour certaines femelles Culicoides. Nous avons testé comme
substance collante l’huile d’œillet, l’huile de ricin, la colle d’os, la vaseline lavable et en gel.
La vaseline en gel a été sélectionnée, car elle est facile à appliquer et sans odeur. L’huile de
ricin couramment utilisée pour la capture de phlébotomes a été testée puis écartée pour ses
propriétés trop liquides. La vaseline en gel, en revanche présente une structure plus compacte
et conserve ses propriétés collantes en application épaisse plusieurs heures après application.
La difficulté de dilution de ce gel limite, cependant, la possibilité d’utiliser ce piège de
manière tout à fait satisfaisante.
Au cours de nos différentes sessions de capture, nous avons montré que le piège à
lumière ultraviolette sous-estime le taux de piqûre de C. brunnicans et C. scoticus et confirmé
qu’il semble surestimer celui de C. obsoletus (Carpenter et al., 2008). Nous nous sommes
efforcés de toujours effectuer des captures avec un piège lumineux en parallèle de nos
captures sur appât de manière à obtenir des relations entre le taux de piqûre sur animal et
l’abondance dans les pièges, même si le dispositif expérimental ne permettait pas toujours une
comparaison rigoureuse (parfois absence d’animaux dans l’environnement immédiat du
piège). Le piège lumineux capture des quantités importantes de Culicoides et est facile
d’utilisation pour inventorier les espèces présentes sur la zone d’expérimentation, mais ne
collecte pas seulement les espèces en recherche d’hôte, puisque des mâles et femelles
gravides sont également piégés. Ce piège ne devrait pas être utilisé directement pour estimer
le taux de piqûre. Cette disconcordance limite la prédiction du risque d’apparition du virus de
la fièvre catarrhale ovine sachant que les programmes de surveillance utilisent ce piège
lumineux depuis 2000 au sud de l’Europe, et depuis 2006 dans le nord et le centre de l’Europe
(Calistri et al., 2003; Conte et al., 2007; Baldet et al., 2008; Meiswinkel et al., 2008). Pour la
première fois en Europe, ce travail a permis de comparer les aptitudes de différents pièges à
appât à collecter des femelles en recherche d’hôte. Chaque piège présente des biais différents,
ce qui permet d’orienter leur utilisation en fonction des objectifs scientifiques (surveillance,
lutte, protection de cheptel d’intérêt vétérinaire).
Quelles sont les préférences trophiques des espèces d’intérêt vétérinaire ?
La probabilité de réussite d’un repas sanguin dépend de l’attractivité propre de l’hôte
(réponse positive de l’insecte aux stimuli qui émanent de l’hôte) et de son acceptabilité
129
(réussite du gorgement sur l’hôte qui dépend souvent de l’intensité des mouvements de
défense) (Boreham and Garrett-Jones, 1973; Clements, 1999; Lardeux et al., 2007). Les
facteurs d’attraction peuvent être le dégagement de CO2, l’humidité de la respiration, la
chaleur corporelle, le panache d’odeur des hôtes. En Amérique du Nord, les individus du
Complexe Variipennis semblent être attirés par le CO2 (Nelson, 1965; Mullens, 1995).
Cependant, en Espagne très peu de C. obsoletus et C. parroti ont été collectés par un piège à
aspiration appâté avec du CO2 mais en compétition directe avec un hôte (Mullens et al., 2005;
Gerry et al., 2009). Les facteurs visuels comme la couleur et la forme de l’hôte, qui sont
important pour l’orientation dans la phase finale d’approche, influencent également
l’attractivité. L’influence relative de ces facteurs n’est pas totalement comprise. Humphreys et
Turner (1973) n’ont pas trouvé d’influence de la couleur des hôtes dans l’attraction des
Culicoides. La taille de l’hôte, corrélée avec le volume des émanations de CO2 et des autres
odeurs, influence l’attraction des Culicoides (Humphreys and Turner, 1973; Tanner and
Turner, 1974; Raich et al., 1997).
Nous avons étudié les préférences trophiques des espèces paléarctiques de Culicoides
d’intérêt vétérinaire à deux échelles : une première étude de capture directe sur animal appât
dans un élevage de l’ouest de la France et la deuxième étude cherchant à identifier l’origine
des repas de sang de femelles gorgées capturées dans 5 élevages français. Dans le premier cas,
afin de pallier les contraintes du drop trap et de l’aspiration directe (présence humaine,
contrainte de temps), nous avons utilisé des couvertures collantes pour quantifier le nombre
de Culicoides attirés par un cheval (cible du virus de la peste équine), différents ruminants
(cibles du virus de la fièvre catarrhale ovine et de la maladie épizootique hémorragique) et des
poules (permettant de différentier les espèces mammophiles et ornithophiles). Même si la
couverture collante peut jouer le rôle d’un piège à interception, nous avons collecté la
majorité des femelles de Culex pipiens (espèce ornithophile) (Vinogradova, 2000) sur la cage
des poules et des Stomoxys calcitrans sur cheval, génisse et poule, ce qui est cohérent avec la
littérature et donc suggère que la couverture collante est une méthode fiable pour étudier les
préférences trophiques (Warnes and Finlayson, 1987 ; Johnson et al., 2010). Les espèces de
Culicoides sont principalement collectées sur le cheval, confirmant les tendances
mammophiles de C. scoticus, C. obsoletus et C. dewulfi (Carpenter et al., 2008). D’autre part,
nous avons montré que C. obsoletus décrit comme attaquant les chevaux, moutons et bovins
(Overgaard Nielsen, 1971; Townley et al., 1984; Mullens et al., 2005; Carpenter et al., 2008;
Gerry et al., 2009) est également attiré par les poules, ce qui montre son caractère
opportuniste. Afin de faire la distinction entre l’effet de la taille de l’hôte et la préférence
trophique en elle-même, les données d’abondance ont été standardisées par le poids, la surface
corporelle et le facteur d’allométrie de Kleiber. Le cheval, hôte le plus attractif quelle que soit
la standardisation utilisée, rend difficile l’interprétation des préférences pour les autres
animaux. On peut suggérer les hypothèses suivantes : soit le cheval est effectivement l’hôte
préféré, ou soit par sa corpulence, le cheval efface l’effet des autres animaux présents,
illustrant un effet seuil, c’est-à-dire pas de relation linéaire entre l’effet taille de l’hôte et le
nombre de Culicoides attirés. Les femelles ont pu être gênées par le comportement de la
génisse et de la chèvre et dans une moindre mesure du mouton qui avaient tendance à se
coucher.
130
Les sites préférentiels d’attaque des espèces de Culicoides d’intérêt vétérinaire
peuvent varier en fonction de l’hôte, de l’épaisseur de la laine ou du poil, de la couleur voire
même de la température des différentes parties du corps (Braverman, 1988). Nielsen (1971) a
montré que C. obsoletus attaquait surtout au niveau du ventre alors que C. chiopterus attaque
plutôt au niveau des membres. Townley et al. (1984) montrent que C. obsoletus et C. dewulfi
atterrissent sur cheval et se gorgent principalement au niveau de la crinière et secondairement
sur les membres. Lors de la comparaison de piège et de l’étude des préférences trophiques,
nous avons étudié les différentes zones d’attaque des Culicoides. A l’issue de la comparaison
de pièges, nous avons constaté que C. brunnicans semble ne pas avoir de zone d’attaque
privilégée, alors que C. obsoletus préférerait attaquer sur les parties basses et C. dewulfi plutôt
sur les parties hautes. Cependant, lors de l’étude des préférences trophiques, nous n’avons pas
identifié de site préférentiel sur le cheval pour C. obsoletus, alors que C. dewulfi était
confirmé sur les parties hautes, tout comme C. scoticus. Les sites de piqûres peuvent changer
en fonction de la diversité spécifique présente. Des interactions entre espèces pourraient faire
varier la sélection d’une zone de piqure en minimisant les compétitions pour l’accès à la
ressource alimentaire.
Après s’être posées, les femelles hématophages ne se gorgent pas forcément. La
« décision » dépend certainement de l’intensité des mouvements de défense et également de
l’appréciation de la zone à piquer. Si par exemple, C. arboricola est autant attiré par le lapin
que par la dinde, le taux de gorgement est plus élevé sur l’oiseau que sur le mammifère
(Tanner and Turner, 1974). Aussi, C. chiopterus a été collecté abondamment sur mouton
(Carpenter et al., 2008). Cependant, cette même espèce a été collectée plusieurs fois dans des
fermes ovines mais gorgée sur bovins (Garros et al., 2011). Le taux de gorgement de C.
obsoletus collectés par le drop trap était relativement élevé sur mouton alors que C. dewulfi,
certes en plus faible abondance, n’a jamais été trouvé gorgé (Viennet et al., 2011). Dans ce
cas, C. dewulfi a pu être attiré par la structure du piège ou par les moutons, sans qu’il ne
puisse se gorger sur cet hôte.
En l’absence d’informations plus complètes, nous avons considéré un taux de gorgement
maximal pour calculer la probabilité qu’à C. obsoletus de se gorger deux fois sur une même
espèce d’hôte ou successivement sur deux espèces différentes au sein d’un troupeau
mélangeant moutons et vaches ou vaches et chevaux. Cette probabilité peut permettre
d’estimer la capacité qu’a une espèce de transmettre un pathogène au sein de population
d’hôtes de même espèce ou au sein de population d’hôtes d’espèces différentes (Balenghien et
al., 2011). Il semblerait que dans des troupeaux mélangeant bovins et ovins, le virus de la
fièvre catarrhale ovine soit transmis facilement entre ces deux espèces. De plus, l’effet leurre
que peut avoir un cheval ou un âne au sein d’un troupeau de bovins peut vite être compensé
par l’effet masse du troupeau de bovins. Ainsi, cet exemple théorique illustre la nécessité de
quantifier les préférences trophiques et pointe du doigt la relativité de l’ajout d’animal-leurre
pour prévenir de la transmission du virus de la fièvre catarrhale ovine.
L’autre méthode permettant d’étudier la préférence trophique est indirecte. Un outil
moléculaire d’identification de l’origine des repas de sang à partir d’une méthode multiplexée
131
espèce-spécifique a été développé et validé permettant d’analyser l’origine du repas de sang
de femelles gorgées capturées sur cinq sites en France.
Cette étude à large échelle a permis de pallier la complexité des expérimentations avec
pièges à appât sur une échelle nationale et a pu permettre d’analyser le comportement
trophique des espèces de Culicoides d’intérêt vétérinaire. Les femelles collectées se sont
gorgées sur les animaux les plus proches, sauf C. chiopterus : La majorité les femelles
gorgées au sein d’élevages ovins étaient gorgées sur bovins, illustrant sa relative spécificité et
la capacité de ses femelles gorgées à se déplacer sur plusieurs centaines de mètres. Cette étude
a montré la nécessité d’identifier et d’étudier les préférences trophiques des Culicoides à
l’espèce et non seulement au groupe.
Suite à ces recherches sur les préférences trophiques, plusieurs questions émergent :
Les préférences trophiques évoluent-elles au cours du temps ? Qu’elle est la plasticité
écologique des espèces d’intérêts ?
Si une espèce de Culicoides se gorge préférentiellement sur une espèce d’hôte, que se passe-til lorsque cette espèce disparait ? Est-ce-que les préférences de cette espèce de Culicoides
peuvent évoluer vers une autre espèce d’hôte ou devient-elle moins sélective, c’est-à-dire
opportuniste ?
Est-ce que certaines espèces présentent des comportements strictement endo ou exophage ?
Ce comportement varie-t-il au cours des saisons ? A quel moment de la journée les espèces
d’intérêt vétérinaire partent-elles à la recherche d’hôtes ?
Jusqu’à aujourd’hui, les études récentes portant sur l’endo/exophagie des Culicoides
se sont toujours déroulées avec des pièges à lumière ultraviolette (Anderson et al., 1993;
Barnard, 1997; Meiswinkel et al., 2000; Baldet et al., 2008; Meiswinkel et al., 2008; Calvete
et al., 2009; Baylis et al., 2010), hormis l’étude de Votypka et al. (2009) qui ont étudié
l’endophagie des espèces ornitophiles en utilisant un nichoir artificiel dont l’intérieur était
recouvert de feuilles plastiques collantes (utilisées contre les agresseurs de fruitier). En outre,
les Culicoides sont principalement décrits comme crépusculaires (Mellor et al., 2000), mais
très peu de travaux ont rigoureusement entrepris l’étude du rythme circadien sur 24 heures
consécutives (Kettle, 1969; Barnard and Jones, 1980; Lillie et al., 1987). D’autre part, une
seule étude a étudié le rythme circadien du comportement de recherche d’hôte des espèces
européennes de Culicoides en réalisant des piégeages sur cheval pendant 24 heures (van der
Rijt et al., 2008).
Pour combler ce manque, nous avons décidé d’utiliser des pièges à aspiration et, en
parallèle, des drop traps pour étudier l’endo/exophagie et le rythme circadien des espèces
paléarctiques de Culicoides. L’utilisation d’une couverture collante ne nous paraissait pas la
plus adéquate dans la mesure où les pièges étaient récoltés régulièrement (pour étudier le
rythme circadien) ce qui aurait généré un nombre considérable de couvertures impossibles à
analyser au fur et à mesure. Nous avons supposé que le faible nombre de Culicoides capturés
lors de notre comparaison de piège était lié à la compétition entre l’animal servant d’appât et
les autres animaux environnants. Ainsi, nous avons jugé plus judicieux d’appâter les pièges
132
avec un nombre plus important de moutons, en l’occurrence 4 par site, afin de maximiser les
collectes. Un piège à aspiration de grande taille a été conçu par notre équipe de manière à
aspirer les Culicoides attirés par les moutons appâts et cela sans (ou avec très peu)
d’intervention humaine. Un système rotatif permettant de changer automatiquement les
bouteilles de collecte a été adapté au système aspirant. N’ayant pas eu l’occasion de comparer
ce piège aux autres pièges à appât lors de la première année d’expérimentations, nous avons
utilisé des drop traps en parallèle de ce « nouveau » piège.
Nous avons réalisé des collectes à l’intérieur et à l’extérieur de bâtiments (avec deux
degrés d’ouverture). Au cours de notre travail, nous avons démontré que la majorité des
espèces paléarctiques de Culicoides sont principalement exophages, certaines espèces, comme
C. brunnicans, pouvant être strictement exophages. D’autres espèces comme C. obsoletus et
C. scoticus sont capables également de rentrer dans les bâtiments pour se nourrir. Par ailleurs,
nous avons montré que C. brunnicans présente deux pics d’activité : l’un après le lever et
l’autre autour du coucher du soleil. Blackwell et al. (1997) avaient observé une activité de vol
bimodal sur les mêmes tranches horaires pour C. impunctatus. Les autres espèces d’intérêt
vétérinaire C. obsoletus, C. scoticus, C. dewulfi et C. chiopterus ont, quant à elles, une activité
principale autour du coucher du soleil, quelques individus ayant été cependant collectés
autour du lever du soleil. Il est probable que dans des contextes de plus fortes abondances un
second pic d’activité, sans doute secondaire, aurait été mis en évidence autour du lever de
soleil comme l’avait mis en évidence Van der Rijt et al. (2008) pour C. obsoletus.
Dans la littérature, il est reporté que la différence d’abondance à l’extérieur et à
l’intérieur des bâtiments est moindre à l’automne que pendant l’été (Baylis et al., 2010).
Baylis et al., (2010) suggèrent que les vents forts, souvent plus fréquents à l’automne, peuvent
également perturber l’activité de vol des Culicoides à l’extérieur, mais aussi diminuer
l’efficacité de capture du piège lumineux. De plus, les piégeages lumineux peuvent sousestimer un pic d’activité des Culicoides qui pourrait avoir lieu plus tôt dans la journée à cause
des basses températures automnales, phénomène déjà observé pour les Culicoides (Murray,
1987; Kettle et al., 1998). Ce phénomène pourrait être d’autant plus fort à l’extérieur, que la
température y diminue plus vite qu’à l’intérieur. Notre étude a permis de confirmer cette
tendance, montrant, pour C. obsoletus, une différence d’abondance extérieure/intérieure plus
faible en automne et au printemps qu’en été, et ce sans les problèmes d’interprétation liés aux
pièges lumineux. Il est possible qu’au printemps ou à l’automne, les différences de conditions
physiques soient moindres entre intérieur et extérieur, facilitant l’entrée des Culicoides. Ainsi,
la différence de luminosité est moindre, et il a été montré que par temps couvert, les captures
des pièges à lumière ultraviolette installés à l’intérieur augmentent (Meiswinkel et al., 2000;
Meiswinkel et al., 2008). Par ailleurs, le nombre de moutons pâturant autour des sites de
capture était plus faible à l’automne que pendant les autres périodes. Ainsi, la disponibilité en
hôte diminuant à l’extérieur, l’attractivité relative des animaux à l’intérieur augmenterait.
La présence de quelques femelles C. obsoletus gravides à l’intérieur du bâtiment
indique que certaines femelles peuvent rentrer pour pondre, ce qui concorde avec des
observations de la présence de larves à l’intérieur de bâtiments dans le fumier de bovin
(Zimmer et al., 2010; Ninio et al., 2011).
133
C. brunnicans, une espèce à surveiller de près ?
Culicoides brunnicans est une espèce peu étudiée. Nous avons montré que cette espèce
pouvait être particulièrement abondante localement attaquant les moutons. D’après les
descriptions disponibles sur son écologie, C. brunnicans serait rencontré dans les plaines et
pâtures en association avec des zones humides (sans beaucoup de précision sur les
caractéristiques de ces zones) et serait largement distribuée dans l’ouest de la région
paléarctique. En se basant sur les données de la surveillance entomologique nationale en
France, cette espèce a été collectée dans 73 des 160 sites de capture. Son abondance est en
général relativement basse (plus de 1 % des captures seulement dans 23 sites), mais peut
atteindre sur certains sites 10 à 13 % des captures. La compétence vectorielle des Culicoides
paléarctiques est encore assez peu documentée et on ne sait pas dans quelle mesure elle
intervient comme un facteur limitant dans la transmission. Les taux d’infection sont en
général très faibles, et pourraient être compensés par l’abondance de ces insectes. Ainsi, il
conviendrait d’évaluer la compétence vectorielle de cette espèce pour inférer sur son potentiel
rôle vecteur dans les zones où elle est abondante.
De multiples facteurs de variabilité d’activité
Il est bien documenté que le spectre d’hôtes sur lequel se gorgent des insectes
hématophages peut varier en fonction des saisons (Chandler et al., 1977; Kilpatrick et al.,
2006). Par exemple, en Amérique du Nord, Culex nigripalpus Theobald et Culex tarsalis
Coquillett, vecteurs du virus de l’encéphalite de Saint Louis, se gorgent préférentiellement sur
oiseau tout au long de l’année, sauf pendant l’été, où les mammifères sont les plus piqués
(Edman and Taylor, 1968; Edman, 1974). De même, Cx. pipiens, dans l’ouest des Etats-Unis
d’Amérique, se gorge préférentiellement sur le merle d’Amérique (Turdus migratorius), sauf
à l’automne où les repas sur homme deviennent très fréquents (Kilpatrick et al., 2006).
Plusieurs hypothèses existent pour expliquer ce changement de choix d’hôte au cours de la
saison, l’une est la diminution ou disparition des hôtes appropriés. Ainsi, Kilpatrick et al.
(2006) soupçonne que la migration des merles d’Amérique entraînerait un déplacement des
repas de Cx pipiens des oiseaux vers les hommes. Le même type de phénomène pourrait
exister chez les Culicoides. En effet, il est souvent suggéré que les Culicoides préfèreraient
piquer les bovins, et ne s’attaqueraient aux ovins que tard dans les saisons, lorsque les cas
cliniques apparaissent. Aucune preuve formelle n’a cependant jamais été mise en évidence.
De futures études analysant l’origine des repas de sang de femelles au cours de l’année
permettra de tester cette hypothèse.
L’abondance estimée par piégeage lumineux dépend beaucoup des conditions locales
(présence et nombre d’animaux aux alentours du piège). Culicoides imicola est décrit
classiquement comme étant une espèce exophage (Barnard, 1997; Meiswinkel et al., 2000).
Néanmoins la récente publication de Calvete et al., (2009) a montré qu’en Espagne,
C. imicola peut également être retrouvé à l’intérieur des bâtiments. Plusieurs explications
possibles sont proposées : C. imicola peut avoir tendance à entrer dans les bâtiments à la fin
de la saison, lorsque les températures extérieures diminuent (cf. supra). Des variations de
comportement d’endo/exophagie peuvent exister entre différentes populations d’une même
134
espèce. En outre, la notion de bâtiments d’élevage et de leur degré d’ouverture en Europe du
Nord et en Europe du Sud n’est pas la même. L’accessibilité des animaux rentrés dans les
bâtiments peut également jouer un rôle important. Calvete et al., (2009) suggèrent qu’étant
donné l’accessibilité (par des ouvertures) des animaux présents à l’intérieur des bâtiments
alors qu’aucun animal ne pâturait à l’extérieur, le caractère mammophile de cette espèce
prévaut certainement sur la tendance exophage. Ainsi, certaines espèces en recherche d’hôte
peuvent s’adapter aux circonstances de disponibilité des hôtes et rentrer dans les bâtiments
afin d’assurer leur survie. Nous avons observé également que les animaux environnants –
dans notre étude le troupeau de béliers – ont pu influencer les captures, attirant vers eux un
certain nombre de Culicoides (on peut supposer que plus la masse des hôtes est importante,
par les facteurs attractifs dégagés, plus cet effet est fort).
Si l’environnement dans lequel un Culicoides va émerger ne contient pas d’hôte
préférentiel, comment se comporte-il pour accomplir son repas de sang ?
 Soit l’insecte pour assurer sa survie va se déplacer jusqu’à rencontrer un hôte
préférentiel. Il peut alors soit s’adapter au nouvel environnement et s’installer à
proximité de cet hôte, si des habitats larvaires sont disponibles, soit parcourir la
distance pour aller se gorger et regagner son habitat larvaire initial.
 Soit l’insecte ne quitte pas son habitat mais va s’adapter aux hôtes qui l’entourent.
Cet exemple illustre la sélection d’un comportement spécifique versus opportuniste.
Peut-on s’attendre, chez les Culicoides, comme chez d’autres insectes hématophages, à des
phénomènes d’apprentissage modifiant leurs préférences tropiques ?
C’est le cas chez Anopheles arabiensis Patton (McCall & Kelly 2002, McCall et al.
2001) et plusieurs espèces de Culex (Culex tritaeniorhynchus Giles, Culex gelidus Theobald
et Culex vishnui s.l.) (Mwandawiro et al., 2000) qui ont tendance à retourner vers l’espèce
d’hôte sur laquelle les femelles se sont gorgées au précédent repas de sang. Cette tendance a
également été démontré chez les mouches tsétsés Glossina palpalis gambiensis (Bouyer et al.,
2007). De plus, si la sélection d’un hôte parmi un groupe peut se faire en fonction de
l’intensité des mouvements de défenses, on peut s’attendre à ce qu’un hôte affaibli ou malade
montre moins de réaction de défense et soit par conséquent plus piqué. Un mouton infecté et
affaibli peut être plus facilement la cible de Culicoides.
Les conditions météorologiques sont connues pour avoir un impact sur l’activité des
adultes (Kettle, 1969; Mellor et al., 2000). En effet, le vent inhiberait l’activité du vol des
Culicoides (Kettle, 1969; Blackwell, 1997; Meiswinkel et al., 2000), qui serait optimale avec
des températures supérieures à 20 °C (Tsutsui et al., 2010). L’humidité relative ainsi que la
pluviométrie ont été positivement corrélées avec l’activité de vol de C. impunctatus
(Blackwell, 1997). Récemment, Sanders et al. (2011) ont développé un modèle permettant de
prédire l’abondance journalière des espèces de Culicoides au cours de l’année en fonction des
conditions météorologiques. Les abondances fortes étaient associées à des températures
élevées, un vent faible et des jours sans pluie, sauf pour C. pulicaris qui semble associé à des
températures plus faibles. Cependant, l’effet des paramètres météorologiques n’a été
significatif que sur les sites où l’abondance des Culicoides était élevée.
135
Nos résultats ont également suggéré une influence de la pression atmosphérique qu’il
serait également intéressant d’étudier. De plus, au cours de notre étude, l’humidité relative n’a
pas semblé influencer l’activité de recherche d’hôte et la température minimale requise (8 °C)
semble être plus basse que celle annoncée par Tsutsui et al. (2010) pour Culicoides maculatus
et Culicoides oxystoma. Il est possible que des différences existent entre espèces ou entre
populations. Les conditions climatiques (vent, humidité), outre leur influence sur le vol des
Culicoides, pourraient interférer sur la diffusion des odeurs.
Les changements en intensité lumineuse régissent l’activité de recherche d’hôte. Ainsi,
durant la journée, si l’intensité lumineuse diminue fortement (ciel très couvert), on peut
s’attendre à une reprise d’activité comme observé dans notre étude. En effet, le 16 juin, la
luminosité a fortement diminué à partir de 14h00 (120 J/cm²) pour atteindre 20 J/cm² à 16h00,
alors que les moyennes sur les autres jours de collecte sont restées à peu près constantes (226
J/cm² à 14h00, 225 J/cm² à 16h00). Parallèlement, lors d’une même cession à 15h20, 15 C.
obsoletus ont été collectés. Ainsi deux situations peuvent se présenter, pendant lesquelles
l’activité des Culicoides peut se prolonger durant le jour. La première situation, comme nous
venons de le voir, est en cas de luminosité réduite par couverture nuageuse, comme cela a été
décrit pour C. impunctatus et C. obsoletus (European Food Safety Authority, 2008). La
deuxième situation est l’influence du cycle de la lune. Il est possible que l’activité de
recherche d’hôte soit plus intense en cas d’illumination par la lune (Culicoides variipennis
(Barnard and Jones, 1980); C. mississipennis, C. furens, and C. barbosai (Lillie et al.,
1987)). Ce facteur serait intéressant à étudier sur l’activité des espèces paléarctiques. Les
horaires de coucher et lever de soleil varient en fonction des localisations et des saisons
entraînant un changement de comportement trophique entre populations d’une même espèce
au cours de l’année. D’autres facteurs viennent modifier encore ce schéma. Par exemple,
C. obsoletus a été actif avant le coucher de soleil au printemps et en automne, alors qu’en été
cette espèce était plutôt active après le coucher de soleil vraisemblablement sous l’influence
de la température et de l’hygrométrie. Bishop et al. (2004) a démontré que l’intensité et la
couleur de la diode électroluminescente (LED) du piège lumineux était importante lors de la
collecte. Le piégeage de C. brevitarsis a été plus efficace avec des LED à lumière verte à
intensité grandissante. Lors de collectes avec piège à lumière ultraviolette, l’intensité du néon
peut donc également avoir un rôle important.
La chaleur corporelle de l’hôte semble être également un stimulus important pour
attirer les insectes hématophages, ceux-ci pouvant y être très sensibles. C’est le cas pour le
vecteur de la fièvre jaune, Ae. aegypti, qui répond à un gradient de chaleur émis par l’hôte
(Peterson and Brown, 1951). Le pou Pediculus humanus Linnaeus, cas particulier
d’ectoparasite, répondant également aux changements de température, est capable de quitter
l’hôte mort ou fébrile pour trouver un nouvel hôte sain (Wigglesworth, 1941). L’ajout de
chaleur au piège lumineux appâté avec du CO2 et de l’octénol augmente significativement la
capture d’Aedes taeniorhynchus Wiedemann, Anopheles atropos Dyar and Knab, Culex
nigripalpus et Culicoides furens (Poey) (Kline and Lemire, 1995).
136
137
Cette étude portant sur l’écologie des Culicoides, et plus particulièrement sur le
contact hôte/vecteur, a nécessité l’utilisation de protocoles standardisés et a permis de
développer deux pièges originaux, un piège collant et un piège à aspiration.
Ce travail a permis de décrire l’activité des espèces en recherche d’hôtes au cours du
nycthémère, de déterminer leur capacité à rentrer dans les bâtiments pour se nourrir et
d’étudier l’attraction face à des hôtes variés. A chaque fois, les différents facteurs de
variabilité ont été pris en compte et plusieurs hypothèses ont été proposées. Cette étude a
montré et confirmé à quel point les différents paramètres météorologiques peuvent influencer
l’activité des Culicoides adultes et combien d’autres paramètres environnementaux ou
paramètres liés au comportement et à la conformation de l’hôte peuvent rentrer en compte.
Le modèle virus de la FCO/Culicoides est intéressant car l’émergence de la FCO est
liée à deux mécanismes distincts (remontée vers le nord d’un vecteur exotique et transmission
de sérotypes exotiques par des vecteurs autochtones) et semble être liée à l’augmentation
globale des températures. Ce travail a permis de souligner la complexité de la relation entre
les espèces autochtones et leurs hôtes d’intérêt et montrer l’importance d’utiliser des
méthodes de piégeage adaptées. Par ailleurs, l’utilisation de protocoles méthodiques et
standardisés permet de mieux décrire le comportement trophique des espèces paléarctiques de
Culicoides, même si ces résultats méritent d’être approfondis et étendus à d’autres
écosystèmes.
En appliquant ces connaissances à d’autres systèmes, ces travaux permettent
également de mieux appréhender les autres maladies vectorielles transmises par les
Culicoides, telles que la peste équine, le virus Akabane ou le virus Oropouche, et également
de mieux comprendre l’association entre insectes hématophages et hôtes vertébrés. Par
exemple, dans le passé, des sérotypes de la peste équine ont été introduits et transmis dans le
sud de l’Europe illustrant le risque d’émergence de cette maladie. Dans le cas d’une
émergence de la peste équine dans l’ouest de l’Europe, ces études ont permis d’avoir une liste
d’espèces attaquant le cheval (C. scoticus, C. dewulfi et C. obsoletus) et de commencer à
décrire leur comportement trophique.
Plusieurs perspectives de travaux peuvent être proposées.
En utilisant ces méthodes, en particulier les procédures standardisées d’analyse de
données, des collectes sur d’autres hôtes et dans d’autres conditions environnementales
permettraient de mieux décrire le comportement trophique des espèces de Culicoides. Nous
nous sommes limités à une seule étude des préférences trophiques. De nombreux facteurs liés
à l’hôte peuvent faire varier les préférences trophiques (sexe, âge, race, couleur, etc.). Ces
facteurs n’ont pas pu être étudiés : par exemple, tous les hôtes utilisés étaient des femelles. Il
serait intéressant de poursuivre ces études en s’intéressant aux variations de comportement
des espèces de Culicoides face aux différents facteurs liés à l’hôte, en particulier le sexe
(émanation de phéromones). De plus, afin de limiter les effets croisés (différence de taille,
poids, espèce) il serait de même intéressant de réitérer l’étude, en faisant varier le poids au
sein d’une même espèce et varier ces espèces pour un même poids. Etudier le comportement
de défense aiderait également à comprendre les relations au sein du triptyque
138
Culicoides/hôte/virus. Pour comprendre les différences d’attractivité entre ruminants, la même
étude sur la préférence trophique peut être envisagée mais cette fois-ci sans le cheval.
La multiplicité des facteurs influençant l’activité des Culicoides ainsi que leurs
interactions rendent complexes les mécanismes de transmission du virus de la FCO. A la
lumière de nos travaux, une mesure de prévention pourrait être proposée. Par exemple, dans
un élevage, il peut être conseillé de garder les animaux de valeur dans les bâtiments fermés en
période de forte activité des Culicoides afin de limiter le risque d’attaque et donc de
transmission de pathogènes. Mais il est difficile d’établir un protocole général de protection
sans prendre en compte les multiples paramètres (température, luminosité, abondance d’hôte,
saison) pouvant faire varier le comportement trophique des femelles. Voici une conséquence
du processus évolutionniste sélectionnant la capacité de l’insecte hématophage à assurer sa
rencontre avec un hôte dans un temps et un espace donné.
Aussi beaucoup reste à faire…
139
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Insectes et maladies émergentes : contacts hôte/Culicoides en région paléarctique
et leurs implications dans la transmission de la fièvre catarrhale ovine
La découverte du rôle des insectes en tant que vecteurs de pathogènes, établi depuis
plus d’un siècle, a été l’élément moteur de la discipline « entomologie médicale et
vétérinaire ». Malgré le succès de nombreuses campagnes de prévention et de programmes de
lutte, nous assistons depuis une trentaine d’années à l’émergence et à la recrudescence de
maladies à transmission vectorielle. Le virus de la fièvre catarrhale ovine (FCO) (Reoviridae :
Orbivirus) est un très bon exemple de virus émergent en Europe dont les mécanismes de
transmission sont encore peu connus dans cette région. Ce virus est transmis par des
moucherons hématophages du genre Culicoides (Diptera : Ceratopogonidae) aux ruminants
sauvages et domestiques. En Europe, la FCO a été pendant longtemps considérée comme une
maladie exotique. À partir de 1998, plusieurs incursions apparaissent dans l’ouest du bassin
méditerranéen en lien avec la remontée vers le nord de populations de Culicoides imicola, le
principal vecteur afrotropical. À partir d’août 2006, l’apparition et la transmission du sérotype
8 dans le nord de l’Europe dans des zones où C. imicola est absent, révèle l’importance des
espèces autochtones et la nécessité de comprendre leur rôle vecteur. Ce travail s’intéresse aux
mécanismes de transmission du virus de la FCO en Europe non méditerranéenne, i) en
présentant un état de l’art de la biologie et l’écologie des Culicoides adultes, ii) en évaluant
les conditions possibles d’utilisation de pièges pour estimer le taux de piqûre et iii) en
décrivant les comportements trophiques pour les espèces d’intérêt vétérinaire.
Mots clés : Culicoides, fièvre catarrhale ovine, contact hôte/vecteur, comportement trophique,
Europe
Insects and emerging diseases: host/Culicoides contacts in the Palaearctic region
and their implications in bluetongue transmission
The discovery of insects as pathogens vectors was established for over a century and
was the driving force behind the discipline “medical and veterinary entomology”. Despite the
success of some prevention and control program campaigns, the emergence and spread of
vector-borne diseases occurred dramatically during this last thirty years. Bluetongue virus
(BTV) (Reoviridae: Orbivirus) is a good example of emerging virus in Europe, with a little
understanding of the epidemiology of this disease. This virus is transmitted by blood-sucking
midges of the genus Culicoides (Diptera: Ceratopogonidae) to wild and domestic ruminants.
In Europe, BT was considered an exotic disease. In 1998, several incursions appeared in the
western Mediterranean Basin in line with the northward progression of C. imicola
populations, the main afrotropical vector. From August 2006, the emergence and transmission
of serotype 8 in northern Europe, in areas where C. imicola is absent, revealed the importance
of autochthonous species and the urgent need to understand their role as vector. This work
gives new insights into the understanding of BTV transmission in northern Europe: i)
presenting a state of the art review of the biology and ecology of Culicoides adults, ii)
assessing different methods to study the biting rate and iii) highlighting trends in host-seeking
behavior.
Key words: Culicoides, bluetongue, host/vector contact, host-seeking behavior, Europe
Discipline: Microbiologie/Parasitologie
Intitulé et adresse du laboratoire de recherche
Cirad, UMR Contrôle des Maladies Animales Exotiques et Emergentes
Campus International de Baillarguet, 34398 Montpellier Cedex 5, France

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